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1、第二章 MOS晶体管,第一部分,2.1 引 言,金属-氧化物- 半导体(Metal-oxide-Semiconductor)场效应晶体管，简称MOS场效应晶体管(MOS-FET) MOS器件已成为当前集成电路的基本元件,MOS晶体管的介绍,MOS晶体管有三个端子分别称为源极S(Source)、栅极G(Gate)和漏极D(Drain)。 在正常工作状态下，栅极加上一定的电压，栅极下方会形成连结源极与漏极的沟道。 载流子在电场控制下形成沟道电流。由于只有一种载流子导电，因而MOS也称为单极晶体管。,MOS器件根据沟道的特性分为n沟道MOS晶体管和p沟道MOS晶体管； 在NMOS晶体管中载流子是电子
2、； 在PMOS晶体管的载流子是空穴。 有时也将n沟道MOSFET和P沟道MOSFET，简记作NMOS和PMOS。,MOS晶体管的符号表示,根据栅压为零时导电沟道是否已经形成，又可将MOS晶体管分为增强型与耗尽型两类晶体管。 零栅压时，导电沟道未形成，无漏极（沟道）电流的晶体管称为增强型管 零栅压时，导电沟道已经形成，有漏极（沟道）电流流过的晶体管称为耗尽型管。,NMOS增强型晶体管和耗尽型晶体管漏极电流与栅极电压的关系曲线,2.2 MOS晶体管工作原理,增强型NMOS晶体管基本结构,增强型NMOS晶体管导电机理,(a)VGSVT,VDS=0 (b) VDS VGS-VT (c) VDSVGS-
3、VT,增强型NMOS晶体管的电流方程,MOS晶体管典型的输出特性曲线,电流方程中的参数：,称为MOS晶体管的导电系数。通常将它写作,式中(W/L)是MOS晶体管沟道宽度与长度之比，是设计MOS晶体管时的一个重要参数,则称为工艺参数。因为它与工艺技术有关，在电路模拟和工艺模拟程序中也是MOS器件模型的一个重要参数。,参数n是电子的表面迁移率，它的定义是 ：,是二氧化硅介质材料的介电系数,tox是二氧化硅介质材料的厚度,一个典型的NMOS晶体管参数是 0=1250cm2/Vs =40=48.8510-14F/cm tox=1000 所以它的导电系数为：,参数n 、 、 tox是与工艺，材料有关的量
4、。当制造工艺确定后，是不能随意改变的。 MOS晶体管沟道宽度W 与长度L 是MOS晶体管设计时一对重要的几何参数 ，是设计者能够控制改变的唯一一组参数。,在半导体器件物理中，阈值电压VT是一个十分重要的参数，一般情况下可认为是一个常数。其实它随工作条件变化也会发生改变，较精确一些的计算公式是：,式中，F是一个常数；VSB是衬底偏置电压；,式中，q是一个电子的电荷量；ox和Si分别是氧化硅和硅衬底的介电常数；N是衬底掺杂浓度。,VT0是当VSB为零时的阈值电压； 是表示衬底偏置效应的常数，可用下式计算：,如果VSbF，则式可简化为 ：,沟道长度调制效应,在推导MOS晶体管特性方程时，认定载流子迁
5、移率是常量，没有考虑漏源电压VDS改变引起沟道长度的变化，并且忽略了器件中的漏电流。 在长沟道器件中，沟道长度的少许变化无足轻重，但是当器件尺寸减小时就必须考虑这种变化。 沟道长度减小引起沟道宽长比增大，因此将随两极电压的增大而变大。这种现象称为沟道长度调制效应。,沟道长度调制效应,沟道长度调制效应的结果使在饱和区内漏极电流随漏极电压的增大而缓慢增大，使器件具有有限的输出阻抗。,沟道的有效长度可以用以下近似公式计算 ：,MOS晶体管的输出特性曲线 ：,(a) 忽略沟道长度调制效应 (b)考虑沟道长度调制效应,在计入沟道长度调制效应后，有源导通区电流表达式可以改写为 ：,称为沟道长度调制系数。和
6、工艺参数KP一样，也是器件模型中的一个重要参数。,NMOS增强型晶体管的转移特性曲线,(a)不同VDS时的转移特性 (b) 线性化的转移特性,转移特性反映了在一定VDS下，漏极电流ID和控制电压VGS间的关系,耗尽型NMOS晶体管,耗尽型NMOS晶体管基本结构,在制造耗尽型管子时，对漏源之间的沟道区进行离子注入，产生一个n型薄层，形成导电沟道。因而在栅源电压VGS为零时导电沟道就已经存在只要加上适当的漏源电压就可产生漏源电流。VGS和VDS对ID的控制作用原理和增强型管相似。 当栅源间施以负电压时，沟道区反型层变薄，沟道电阻增大，漏极电流ID减小。当负栅压增加到一定值时，薄反型层中载流子耗尽，
7、沟道消失，晶体管截止，漏极电流为零。,耗尽型NMOS晶体管特性曲线,(a) 输出特性曲线 (b) 转移特性曲线,PMOS晶体管,和NM0S晶体管相反，如果在n型衬底上制作两个p+重掺杂区作为漏极与源极，在这两个电极之间衬底的氧化层上设置栅极，就得到了PMOS晶体管。 当栅源之间加上负电压时，由于电场的作用，栅极下方村底将产生一个空穴导电沟道，这部分n型衬底转变为P型反型层。,PMOS晶体管基本结构,根据PMOS晶体管与NMOS晶体管的对偶特性，只要改变电压与电流的符号，前述NMOS晶体管的电流方程和特性曲线也适用于PMOS晶体管。但相应公式中的电子迁移率n则应以空穴迁移率p代替,在半导体硅材料
8、中，一般室温下的空穴迁移率大约是500cm2Vs，而电子迁移串大约是1300cm2Vs。 在相同几何形状和相同工作条件下，PMOS晶体管的导通电阻比NMOS晶体管的导通电阻大两倍多。所以，在相同条件下NMOS器件可以做得比PMOS器件小些。换言之，NMOS器件比PMOS器件有较高的工作速度和封装密度。这就是NMOS器件用得极为广泛的重要原因。,NMOS、PMOS不同工作区的端电压条件,MOS晶体管的电路模型,最常用的MOS器件模型，称为Shichman-Hodgos模型。在这个模型中，考虑了漏极与衬底以及源极与衬底构成的反向偏置二极管，以及各极间、各电极与衬底之间的电容。,NMOS晶体管基本结
9、构,NMOS晶体管的电路模型,2.3 MOS集成电路工艺技术,工艺步骤是：氧化层生长、热扩散、离子注入、淀积和刻蚀 还有所谓的光刻工艺，光刻是用来定域半导体面积的一种手段，在此确定的面积上，将进行各种工艺加工步骤,第一种基本工艺步骤-氧化,氧化是在硅片表面生成一层二氧化硅(SiO2)膜的过程氧化既生长在硅片表面上，也向硅片里面延伸。一般氧化层约有54的厚度是在初始表面以上生成，46的厚度则是在初始表面以下生成。 氧化层厚度用tox。表示,通常氧化层厚度，薄的可小于500(栅氧化层)，厚的可大于10000(场氧化层)。 氧化的温度范围为700-1100，氧化层厚度与其生长时的温度及生长时间成比例
10、。 氧化层的作用有三：绝缘层的作用； 保护层的作用； 电介质层的作用。,第二种工艺步骤-扩散,半导体材料中的扩散是杂质原子从材料表面向内部的运动，和气体在空气中扩散的情况相似。 扩散的目的是要在半导体材料表层的某特定区域上形成一个高浓度的杂质区。,根据扩散时半导体表面杂质浓度变化的情况来区分，扩散有两类。 第一种类型是无限源扩散。 第二种类型是有限源扩散。 无限源扩散和有限源扩散分别用于预淀积和再扩散 预淀积的目的是在靠近材料表面的地方形成一高浓度的杂质区可扩散到硅中的最大杂质浓度随杂质元素而异。,再扩散是在预淀积之后进行，其目的是将杂质推入半导体内部 扩散前的衬底杂质浓度和扩散进入衬底的相反
11、类型的杂质浓度相等的地方就是半导体的“结”这个结位于p型和n型材料之间，故称为“pn结”,第三种工艺步骤是离子注入,离子注入是将某种杂质的离子用电场加速到一高速度之后，嵌入半导体材料之中 离子注入的平均穿透深度在0.1-0.6m之间，取决于离子撞击硅片时的速度 离子的轨迹受到和其他离子不断碰撞的影响这种离子注入过程会破坏半导体的晶格结构。,在施行离子注入后将半导体温度升高到800退火，使离子处于可动状态并嵌入到半导体晶格中去，可使晶格结构得以恢复完整。 离子注入可以替代扩散，因为这两种工艺的目的都是将杂质掺入半导体材料中。,离子注入和扩散相比，有许多优点。,第一是能准确控制掺杂的浓度(在5%以
12、内)。产品的重复性很好，这样就可以用它来调整MOS器件的阈值电压或者生产高精度的电阻 第二是可以在室温下进行注入，然后在较高温度下退火以消除晶格缺陷,第三是它可以穿透一个薄层注入，因此被注入的材料不必暴露在污染的环境中 最后一点是离子注入可以控制被注入杂质的分布状况,第四种工艺-淀积,淀积是在硅片上淀积各种材料的薄膜 。 可以用真空蒸发、溅射，或化学汽相淀积 (CVD)的方法淀积薄膜 真空蒸发淀积时，固体材料(铝)被放在10-5Torr(1Torr=133.332Pa)的真空中加热至蒸发态蒸发分子撞击到较冷的硅片，在硅片表面冷凝形成约1m厚的固态薄膜,溅射技术是用正离子去轰击涂有需要淀积材料的
13、阴极(靶)由于动量的直接转化，作为靶的材料被撞出并淀积到放在阳极的硅片上溅射通常也在真空中进行，但气压的范围是25-7510-3Torr 化学汽相淀积是利用在硅片附近发生汽相的化学反应或高温分解而在硅片上淀积一层薄膜的过程这种淀积工艺一般用于淀积多晶硅、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)化学汽相淀积通常在大气压(760Torr)下形成，也可在低压0.31Torr下形成,最后一个生产工艺是刻蚀(即腐蚀),刻蚀是去除无保护层的表面材料的过程 由于刻蚀可在各个方向起作用，因此水平方向的刻蚀将产生钻蚀(undercut)有一些择优的刻蚀工艺可使钻蚀减至最小，但还是无法完全杜绝同样，如果底层材料
14、的腐蚀速率不是零，为保证顶层材料充分除掉，必然对底层也有定的腐蚀作用,需要腐蚀的材料有多晶硅、二氧化硅、氮化硅和金属,(a) 将被掉刻蚀的顶层部分 (b) 刻蚀结果：横向腐蚀和对底层的腐蚀,光刻工艺,到目前为止所讨论的各基本半导体生产工艺，除淀积外都只在硅片上被选中的局部面积上进行它们的选取是由光刻工艺来实现的 光刻指的是将掩模版或计算机数据库中存放的图像复制到硅片上的整个过程,光刻的基本要素是光刻胶和掩模版 掩模版使部分的光刻胶暴露在紫外光(UV)下，而把另一部分遮档起来 集成电路由许多层不同的材料组成，借以形成不同的器件或元件每一层有自己确定的面积，可以用这样的办法来实现：先画出这一层被放
15、大了的图形，然后利用光学方法将它们缩小到所需要的面积,去掉局部氧化层的基本光刻步骤,最简单的是直接接触曝光系统,用一块和硅片实际尺寸相同的玻璃，在和涂了胶的硅片相接触的那一面有设计好的图形(不透光的介质)这种玻璃片通常叫掩模版 这种接触曝光系统分辨率高、产出高而价格低廉但是，由于是直接接触掩模版逐渐被磨损。,投影曝光系统,在这种系统中，掩模版不与硅片接触掩模版上的图形通过透镜投影到硅片上 由于掩模版不接触硅片，使用次数增多而且缺陷也减少，这对集成电路的制造是极其重要的。,直接硅片步进重复曝光系统(DSW),这种系统改善了分辨率并减少了缺陷。它使用比硅片上的实际图形大1到10倍的掩模版 优点是精度高和可以更换软件。缺点是成本高、产量低,
