半导体器件课件西安交通大学 MOSFET-03_阈值电压2009.ppt

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1、使沟道源端强反型时的栅源电压称为MOSFET的阈值电压。（nmos：VTn，pmos：VTp）Thresholdvoltage§4、MOSFET的阈值电压MOSFET阈值电压的定义:本节讨论长沟道MOSFET的阈值电压，假定：衬底均匀掺杂强反型近似成立MOS结构的非理想效应用平带电压VFB表示PMOS用平带电压表征非理想因素NMOSMOSFET的阈值电压：使沟道源端强反型时的栅源电压长沟道MOSFET的阈值电压影响阈值电压的因素金半接触电势差氧化层中正电荷面密度，单位:库仑/cm2半导体费米势（与衬底掺杂浓

2、度有关）衬底掺杂浓度单位面积栅氧化层电容衬底偏压金－半接触电势差及影响MOS系统三种材料在分离时的能带图考虑金半接触时的能带图（栅偏压为零）Al栅，Al的功函数4.1eV，Si的亲和能4.05eVNMOS:PMOS:使P型半导体表面耗尽或反型使N型半导体表面积累Al栅方块电阻：几个mΩ/□，Al栅工艺的缺陷多晶硅栅n+poly-si,方块电阻～15,欧姆掺杂浓度nmos:使表面耗尽或反型pmos:使表面多子积累p+poly-si,方块电阻～25欧姆,掺杂浓度nmos:使表面多子积累pmos:使表面耗尽或反型

3、近似认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同SiO2中的电荷：固定正电荷可动正电荷陷阱电荷界面陷阱电荷氧化层电荷及影响热生长的氧化层中电荷中心的特点和位置氧化层电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因，其大小（单位面积上的电荷密度）与晶向和氧化层生长工艺有关。在器件分析中，氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定其位于Si-SiO2界面。单位面积的氧化层等效电荷氧化层电荷对平带电压的贡献为通常要求考虑到金半功函数差后，平带电压为阈值电压表示为衬底掺杂浓度对阈值的影响衬底掺杂浓度NB通过QB来影响VTNB越大，越不

4、容易反型氧化层厚度的影响氧化层厚度增加，会导致VT增加。此方法广泛应用于MOS管之间的隔离。提高场区寄生MOS管的阈值电压：场注入＋厚的场氧化层栅氧场氧P-Si衬底互连线寄生沟道有源区、场区体效应（BodyEffect）在MOS电路中，有些MOS管的源极接输出端，其电位是变化的。有意在体端加偏压。MOS管通常源和衬底短接，但是有两种情况会造成衬底相对与源端有一个偏置电压衬底偏压对阈值电压的影响称为体效应（也称为衬偏效应或背栅效应）。SubstratebiaseffectonVT1、衬底加偏压后，转移曲线的形

5、状（斜率）并没有改变，而只是随VSB的增大向右平移，表明VT的绝对值随VSB的增加而增加。2、当VDS一定时，ID随VSB的增加而减小，即沟道电导随VSB的增加而减小。背栅使表面反型点从二倍费米势变到：强反型时的栅体电压为强反型时的栅源电压即阈值电压为定义VBS=0时的阈值电压为考虑到VBS的影响，通常把VT写成：Bodyfactor衬底偏压使耗尽层展宽，导致nmos的VTn增加（向正方向移动），而pmos的VTp更负（向负方向移动）除非应用，否则应尽量避免体效应，即应使体效应因子最小）阈值电压的设计（1）

6、阈值电压的调制方法：用离子注入工艺，在半导体表面处精确注入一定数目的硼或磷离子，以调制半导体表面的杂质浓度。当MOS器件偏置在耗尽或反型时，注入的杂质会叠加到氧化层－半导体界面附近的电离杂质电荷上，从而改变VT。阈值电压的设计（2）计算注入后的阈值电压：离子注入形成的杂质沿注入方向是Gauss分布，直接用其计算VT比较复杂。考虑到实际中调制注入的深度一般比较浅，用Delta函数近似实际的分布：认为注入的杂质全部位于Si-SiO2界面无限薄的薄层硅中。注入剂量，单位面积（每平方厘米）离子数目阈值电压的设计（3

7、）Delta近似：认为是在氧化层－半导体界面引入附加的固定电荷，类似氧化物固定电荷的分析，可以得到由于注入引起的阈值电压的漂移为：＋：注入受主杂质，B－：注入施主杂质，PDI：注入剂量，QI：注入电荷/cm2硼注入会导致阈值电压正漂移（变得更正），磷注入会时阈值电压负漂移（变得更负）。BoronIon-implanted,theVTnAfterimplantisExample考虑一个NMOSFET，NB=1015cm-3，Tox=150A，平带电压VFB=-0.91V，求使阈值电压VT=1V所需要注入杂质种

8、类和注入剂量。Solution