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MOS晶的閾值電壓VT

發(fā)布時(shí)間:2008/6/5 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):3823

閾值電壓vt是mos晶體管的一個(gè)重要的電參數(shù),也是在制造工藝中的重要控制參數(shù)。vt的大小以及一致性對(duì)電路乃至 集成系統(tǒng)的性能具有決定性的影響。哪些因素將對(duì)mos晶體管的閾值電壓值產(chǎn)生影響呢? 閾值電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式是:

式中±號(hào)對(duì)nmos管取負(fù)號(hào),而對(duì)pmos管取正號(hào)。

式中 qox 為柵氧化層中固定正電荷密度;
qss為柵氧化層中可動(dòng)正電荷密度;
cox為單位面積柵氧化層電容,與柵氧化層厚度tox成反比;
qb為襯底摻雜雜質(zhì)濃度(耗盡層中電荷 ),nmos管采用p型硅為襯底,此值為負(fù),pmos管采用n型硅為襯底,此值為正;
2φf(shuō)為決定強(qiáng)反型條件的2倍體內(nèi)費(fèi)米勢(shì), nmos管采用p型硅為襯底,此值為負(fù),pmos管采用n型硅為襯底,此值為正;
φms為金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差,
鋁柵工藝為-0.3v,硅柵工藝為+0.8v。

可見(jiàn)對(duì)鋁柵工藝的pmos晶體管該式為負(fù)值,即增強(qiáng)型pmos晶體管很容易得到;而為了得到增強(qiáng)型nmos晶體管則要求第3項(xiàng)和第4項(xiàng)之和,大于第1項(xiàng)和第2項(xiàng)之和。
第一個(gè)影響閾值電壓的因素是作為介質(zhì)的二氧化硅(柵氧化層)中的電荷qss以及電荷的性質(zhì)。這種電荷通常是由多種原因產(chǎn)生的,其中的一部分帶正電,一部分帶負(fù)電,其凈電荷的極性顯然會(huì)對(duì)襯底表面產(chǎn)生電荷感應(yīng),從而影響反型層的形成,或者是使器件耗盡,或者是阻礙反型層的形成。qss通常為可動(dòng)正電荷。

第二個(gè)影響閾值電壓的因素是襯底的摻雜濃度。從前面的分析可知,要在襯底的上表面產(chǎn)生反型層,必須施加能夠?qū)⒈砻婧谋M并且形成襯底少數(shù)載流子的積累的柵源電壓,這個(gè)電壓的大小與襯底的摻雜濃度有直接的關(guān)系。襯底摻雜濃度(qb)越低,多數(shù)載流子的濃度也越低,使襯底表面耗盡和反型所需要的電壓vgs越小。

所以,襯底摻雜濃度是一個(gè)重要的參數(shù),襯底摻雜濃度越低,器件的閾值電壓數(shù)值將越小,反之則閾值電壓值越高。對(duì)于一個(gè)成熟穩(wěn)定的工藝和器件基本結(jié)構(gòu),器件閾值電壓的調(diào)整,主要通過(guò)改變襯底摻雜濃度或襯底表面摻雜濃度進(jìn)行。襯底表面摻雜濃度的調(diào)整是通過(guò)離子注入雜質(zhì)離子進(jìn)行。


第三個(gè)影響閾值電壓的因素是由柵氧化層厚度tox決定的單位面積柵電容的大小。
單位面積柵電容與柵氧化層厚度tox的關(guān)系由下式?jīng)Q定:

式中 是二氧化硅柵氧化層的介電常數(shù),
是二氧化硅柵氧化層的厚度。
顯而易見(jiàn),單位面積柵電容越大,電荷數(shù)量變化對(duì)vgs的變化越敏感,器件的閾值電壓則越小。

實(shí)際的效應(yīng)是,柵氧化層的厚度越薄,單位面積柵電容越大,相應(yīng)的閾值電壓數(shù)值越低。但因?yàn)闁叛趸瘜釉奖,氧化層中的?chǎng)強(qiáng)越大,因此,柵氧化層的厚度受到氧化層擊穿電壓的限制。選用其他介質(zhì)材料做柵介質(zhì)是當(dāng)前工藝中的一個(gè)方向。例如選用氮氧化硅 sinxoy 替代二氧化硅是一個(gè)微電子技術(shù)的發(fā)展方向。正在研究其它具有高介電常數(shù)的材料,稱為高k柵絕緣介質(zhì)。

第四個(gè)對(duì)器件閾值電壓具有重要影響的參數(shù)是柵材料與硅襯底的功函數(shù)差φms的數(shù)值,這和柵材料性質(zhì)以及襯底的摻雜類型有關(guān),在一定的襯底摻雜條件下,柵極材料類型和柵極摻雜條件都將改變閾值電壓。對(duì)于以多晶硅為柵極的器件,器件的閾值電壓因多晶硅的摻雜類型以及摻雜濃度而發(fā)生變化。
可見(jiàn),在正常條件下,很容易得到增強(qiáng)型pmos管。為了制得增強(qiáng)型nmos管,則需注意減少qss、qox,增加qb。采用硅柵工藝對(duì)制做增強(qiáng)型nmos管和絕對(duì)值小的增強(qiáng)型pmos管有利。

小結(jié):影響mos晶的閾值電壓vt 的因素:
第一個(gè)影響閾值電壓的因素是作為介質(zhì)的二氧化硅(柵氧化層)中的電荷qss以及電荷的性質(zhì)。
第二個(gè)影響閾值電壓的因素是襯底的摻雜濃度qb。
第三個(gè)影響閾值電壓的因素是由柵氧化層厚度tox決定的單位面積柵電容的大小。
第四個(gè)對(duì)器件閾值電壓具有重要影響的參數(shù)是柵材料與硅襯底的功函數(shù)差φms的數(shù)值。
鋁柵的φms為-0.3v,硅柵為+0.8v。所以硅柵nmos器件相對(duì)于鋁柵nmos器件容易獲得增強(qiáng)型器件。



閾值電壓vt是mos晶體管的一個(gè)重要的電參數(shù),也是在制造工藝中的重要控制參數(shù)。vt的大小以及一致性對(duì)電路乃至 集成系統(tǒng)的性能具有決定性的影響。哪些因素將對(duì)mos晶體管的閾值電壓值產(chǎn)生影響呢? 閾值電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式是:

式中±號(hào)對(duì)nmos管取負(fù)號(hào),而對(duì)pmos管取正號(hào)。

式中 qox 為柵氧化層中固定正電荷密度;
qss為柵氧化層中可動(dòng)正電荷密度;
cox為單位面積柵氧化層電容,與柵氧化層厚度tox成反比;
qb為襯底摻雜雜質(zhì)濃度(耗盡層中電荷 ),nmos管采用p型硅為襯底,此值為負(fù),pmos管采用n型硅為襯底,此值為正;
2φf(shuō)為決定強(qiáng)反型條件的2倍體內(nèi)費(fèi)米勢(shì), nmos管采用p型硅為襯底,此值為負(fù),pmos管采用n型硅為襯底,此值為正;
φms為金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差,
鋁柵工藝為-0.3v,硅柵工藝為+0.8v。

可見(jiàn)對(duì)鋁柵工藝的pmos晶體管該式為負(fù)值,即增強(qiáng)型pmos晶體管很容易得到;而為了得到增強(qiáng)型nmos晶體管則要求第3項(xiàng)和第4項(xiàng)之和,大于第1項(xiàng)和第2項(xiàng)之和。
第一個(gè)影響閾值電壓的因素是作為介質(zhì)的二氧化硅(柵氧化層)中的電荷qss以及電荷的性質(zhì)。這種電荷通常是由多種原因產(chǎn)生的,其中的一部分帶正電,一部分帶負(fù)電,其凈電荷的極性顯然會(huì)對(duì)襯底表面產(chǎn)生電荷感應(yīng),從而影響反型層的形成,或者是使器件耗盡,或者是阻礙反型層的形成。qss通常為可動(dòng)正電荷。

第二個(gè)影響閾值電壓的因素是襯底的摻雜濃度。從前面的分析可知,要在襯底的上表面產(chǎn)生反型層,必須施加能夠?qū)⒈砻婧谋M并且形成襯底少數(shù)載流子的積累的柵源電壓,這個(gè)電壓的大小與襯底的摻雜濃度有直接的關(guān)系。襯底摻雜濃度(qb)越低,多數(shù)載流子的濃度也越低,使襯底表面耗盡和反型所需要的電壓vgs越小。

所以,襯底摻雜濃度是一個(gè)重要的參數(shù),襯底摻雜濃度越低,器件的閾值電壓數(shù)值將越小,反之則閾值電壓值越高。對(duì)于一個(gè)成熟穩(wěn)定的工藝和器件基本結(jié)構(gòu),器件閾值電壓的調(diào)整,主要通過(guò)改變襯底摻雜濃度或襯底表面摻雜濃度進(jìn)行。襯底表面摻雜濃度的調(diào)整是通過(guò)離子注入雜質(zhì)離子進(jìn)行。


第三個(gè)影響閾值電壓的因素是由柵氧化層厚度tox決定的單位面積柵電容的大小。
單位面積柵電容與柵氧化層厚度tox的關(guān)系由下式?jīng)Q定:

式中 是二氧化硅柵氧化層的介電常數(shù),
是二氧化硅柵氧化層的厚度。
顯而易見(jiàn),單位面積柵電容越大,電荷數(shù)量變化對(duì)vgs的變化越敏感,器件的閾值電壓則越小。

實(shí)際的效應(yīng)是,柵氧化層的厚度越薄,單位面積柵電容越大,相應(yīng)的閾值電壓數(shù)值越低。但因?yàn)闁叛趸瘜釉奖,氧化層中的?chǎng)強(qiáng)越大,因此,柵氧化層的厚度受到氧化層擊穿電壓的限制。選用其他介質(zhì)材料做柵介質(zhì)是當(dāng)前工藝中的一個(gè)方向。例如選用氮氧化硅 sinxoy 替代二氧化硅是一個(gè)微電子技術(shù)的發(fā)展方向。正在研究其它具有高介電常數(shù)的材料,稱為高k柵絕緣介質(zhì)。

第四個(gè)對(duì)器件閾值電壓具有重要影響的參數(shù)是柵材料與硅襯底的功函數(shù)差φms的數(shù)值,這和柵材料性質(zhì)以及襯底的摻雜類型有關(guān),在一定的襯底摻雜條件下,柵極材料類型和柵極摻雜條件都將改變閾值電壓。對(duì)于以多晶硅為柵極的器件,器件的閾值電壓因多晶硅的摻雜類型以及摻雜濃度而發(fā)生變化。
可見(jiàn),在正常條件下,很容易得到增強(qiáng)型pmos管。為了制得增強(qiáng)型nmos管,則需注意減少qss、qox,增加qb。采用硅柵工藝對(duì)制做增強(qiáng)型nmos管和絕對(duì)值小的增強(qiáng)型pmos管有利。

小結(jié):影響mos晶的閾值電壓vt 的因素:
第一個(gè)影響閾值電壓的因素是作為介質(zhì)的二氧化硅(柵氧化層)中的電荷qss以及電荷的性質(zhì)。
第二個(gè)影響閾值電壓的因素是襯底的摻雜濃度qb。
第三個(gè)影響閾值電壓的因素是由柵氧化層厚度tox決定的單位面積柵電容的大小。
第四個(gè)對(duì)器件閾值電壓具有重要影響的參數(shù)是柵材料與硅襯底的功函數(shù)差φms的數(shù)值。
鋁柵的φms為-0.3v,硅柵為+0.8v。所以硅柵nmos器件相對(duì)于鋁柵nmos器件容易獲得增強(qiáng)型器件。



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