全國(guó)高等職業(yè)教育“十三五”規(guī)劃教材

“十二五”江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材半導(dǎo)體器件物理（ISBN978-7-121-31790-3）徐振邦主編陸建恩副主編第5章MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管第5章MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管本章要點(diǎn)MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類MOS型晶體管的閾值電壓MOS型晶體管的伏安特性與直流參數(shù)MOS型晶體管的頻率特性、交流小信號(hào)參數(shù)MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征小尺寸集成MOS型晶體管的幾個(gè)效應(yīng)MOS晶體管全稱是MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱MOS管。MOSFET——MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor英文稱呼為：它是幾種類型場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的一種，另有兩種分別是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管與肖特基勢(shì)壘型場(chǎng)效應(yīng)管，但是它們沒有MOS晶體管用得更為普遍。顧名思義，這種晶體管依靠半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)來進(jìn)行工作，這是它名字的由來。主要特點(diǎn)：這種晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾何尺寸可以做得很小，輸入阻抗高，功耗低，性能穩(wěn)定，易于大規(guī)模集成。第5章MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵SiO2柵SiO2Al

或多晶硅5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理(a)nMOS型晶體管基本結(jié)構(gòu)(b)nMOS型晶體管三維透視圖S：Source（源極或源區(qū)）D：Drain（漏極或漏區(qū)）G：Gate（柵極）Fox：Fieldoxide（場(chǎng)氧化層）電子溝道5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類(c)(d)

如圖(c)所示，對(duì)于一支nMOS晶體管，在柵極施加正柵壓VGS，且當(dāng)其值VGS>VT時(shí)，我們看到便形成了電子溝道，這時(shí)施加一定的漏源電壓VDS，便可形成漏極電流IDS。圖(d)顯示了nMOS管正常工作時(shí)的電路連接圖。5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類(e)nMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線（增強(qiáng)型）(f)nMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線（耗盡型）特點(diǎn)：

1）VGS>VT（閾值電壓）；

2）VT>0（增強(qiáng)型）;3）MOS管輸入電阻Ri→∞。特點(diǎn)：

1）VT<0（耗盡型）;空穴溝道5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類(g)(h)

圖(g)展示了pMOS晶體管工作原理電路圖，當(dāng)在柵極G施加負(fù)柵壓時(shí)，且滿足︱VGS︱

>︱VT︱時(shí)，便形成空穴溝道，這時(shí)在D端施加一漏極電壓，注意應(yīng)有VDS<0，即負(fù)的漏極電壓，就會(huì)形成漏極電流IDS，注意電流實(shí)際方向?yàn)镾到D。5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類pMOS管(增強(qiáng)型)(i)pMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線（增強(qiáng)型）pMOS管(耗盡型)(j)pMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線（耗盡型）特點(diǎn)：

1）VGS<VT（閾值電壓）；

2）VT<0（增強(qiáng)型）;3）MOS管輸入電阻Ri→∞。特點(diǎn)：

1）VT>0（耗盡型）;nMOS增強(qiáng)型nMOS耗盡型pMOS增強(qiáng)型pMOS耗盡型nMOS增強(qiáng)型pMOS增強(qiáng)型5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.2MOS型晶體管的分類1.MOS晶體管的電路符號(hào)（共四種）2.MOS晶體管的簡(jiǎn)化符號(hào)5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.3MOS型晶體管的基本特征特性MOS型晶體管雙極型晶體管導(dǎo)電載流子單極性電子或空穴雙極性電子與空穴輸入阻抗Ri高109～1015Ω低103～106Ω噪聲系數(shù)NF低適合低噪聲放大較高普通放大功耗P低適合高集成較高難于高集成溫度穩(wěn)定性好電學(xué)參數(shù)穩(wěn)定較差容易隨溫度變化導(dǎo)通電阻Ron較大無電導(dǎo)調(diào)制小有電導(dǎo)調(diào)制線性放大較差失真較大好適合信號(hào)放大開關(guān)速度快適于VLSI較快僅適于SSI、MSI驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)功率低電壓控制驅(qū)動(dòng)功率高電流控制抗輻射能力強(qiáng)參數(shù)變化小較差hFE、β下降工藝要求高潔凈度要求高一般一般潔凈度漏極電子流方向5.1MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.4集成MOS型晶體管與分立MOS型晶體管的異同a)集成MOS型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)b)一種DMOS型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)耗盡層電子溝道5.2MOS型晶體管的閾值電壓5.2.1MOS型晶體管閾值電壓的定義定義：當(dāng)MOS晶體管位于近源端處的溝道區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)，施加于柵源兩電極之間的電壓稱為MOS晶體管的閾值電壓，用VT表示。5.2.2理想情況下MOS管閾值電壓的表達(dá)式（所謂理想情況，其情形完全類似于理想MOS結(jié)構(gòu)）以nMOS晶體管為例，有其中：5.2MOS型晶體管的閾值電壓5.2.3影響MOS型晶體管閾值電壓的各種因素1.金-半功函數(shù)差φms和柵氧化層有效表面態(tài)電荷QSS的影響考慮上述修正后，VT的表達(dá)式為：其中nMOS晶體管；pMOS晶體管；而φFP、φFN的表達(dá)式同前。5.2MOS型晶體管的閾值電壓耗盡層電子溝道2.襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）(a)顯示VSB2>0V的情形(b)顯示襯底偏置效應(yīng)

當(dāng)MOS晶體管的源極與襯底之間存在反向偏壓，如圖(a)所示（nMOS管)，VSB2>0，會(huì)導(dǎo)致MOS晶體管的閾值電壓絕對(duì)值增加，這就是所謂的襯底偏置效應(yīng)，也稱體效應(yīng)，如圖(b)所示。5.2MOS型晶體管的閾值電壓考慮體效應(yīng)后，MOS晶體管的閾值電壓VT修正為：nMOS晶體管；pMOS晶體管；nMOS晶體管；pMOS晶體管；而閾值電壓增量ΔVT為：5.2MOS型晶體管的閾值電壓3.短溝道效應(yīng)對(duì)VT的影響(c)短溝道效應(yīng)使VT下降示意圖(d)VT與溝道長(zhǎng)度L的關(guān)系實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)MOS晶體管的溝道長(zhǎng)度L<2μm時(shí)，隨著溝道長(zhǎng)度L的縮短，MOS管的閾值電壓VT呈現(xiàn)出下降的現(xiàn)象，稱為短溝道效應(yīng)，簡(jiǎn)稱短溝效應(yīng)，如圖(d)所示。從物理角度看，產(chǎn)生短溝效應(yīng)的主要原因是因?yàn)樵础⒙﹨^(qū)耗盡區(qū)側(cè)面共用了一部分溝道區(qū)下方空間電荷區(qū)的電荷，如圖(c)所示，從而導(dǎo)致溝道表面產(chǎn)生強(qiáng)反型時(shí)，溝道區(qū)下方所需的有效空間電荷QSC減小，因而促使VT減小。非飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)5.3.1MOS型晶體管的輸出伏安特性MOS晶體管是一種電壓控制器件，其輸出伏安特性是指以VGS作為控制參量，漏極電流IDS隨漏極電壓VDS的關(guān)系曲線，如圖(a)所示。(a)MOS管輸出伏安特性曲線(b)MOS管輸出特性曲線的分區(qū)MOS晶體管輸出伏安特性曲線共分三個(gè)區(qū)：（1）截止區(qū)；（2）飽和區(qū)；（3）非飽和區(qū)，也稱線性區(qū)。5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(c)MOS管輸出特性曲線的測(cè)量(d)輸出特性曲線測(cè)量信號(hào)波形

在MOS晶體管的柵源之間施加周期性的階梯波VGG，其中波形的每一個(gè)臺(tái)階將來對(duì)應(yīng)一條輸出伏安特性曲線。而與此同時(shí)，在漏極D則施加全波整流的掃描電壓VDD，測(cè)量電路連接如圖(c)所示，測(cè)量信號(hào)的波形相位關(guān)系如圖(d)所示。耗盡層電子溝道5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)下面以一個(gè)nMOS晶體管為例，來說明其溝道反型層隨漏極電壓VDS改變而變化的情況。為使得說明更具體，假設(shè)該晶體管的VT=2.0V，而所施加的柵壓則為VGS=6V。(a)VDS

=0V(b)VDS

=1.0V>0當(dāng)VDS=0V時(shí)，這時(shí)沒有漏極電流，即IDS=0。從漏區(qū)至源區(qū)，反型溝道厚薄一致，見圖(a)所示。當(dāng)VDS=1.0V時(shí)，已經(jīng)存在溝道電流IDS，這時(shí)整個(gè)溝道區(qū)表面的電勢(shì)是不相等的，見圖(c)所示，設(shè)該電勢(shì)為V(y)，如圖(d)所示，而反型層的分布如圖(b)所示。5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(c)溝道區(qū)表面電勢(shì)V(y)示意圖(d)V(y)近似變化趨勢(shì)

在圖(c)中，令溝道近源端為坐標(biāo)原點(diǎn)O，溝道區(qū)表面沿漏方向?yàn)閥軸正方向，設(shè)y處的表面電勢(shì)為V(y)，則柵氧化層兩端有效電壓為VGS-V(y)，如圖(c)。溝道夾斷夾斷點(diǎn)漏極耗盡區(qū)5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(e)VDS=VGS-VT=4.0V(f)VDS>VGS-VT=4.0V當(dāng)滿足VDS=VGS-VT=4.0V，則近漏端處有效柵壓VGD=VGS-V(y)=VGS-VDS=2.0V，反型溝道處于剛形成狀態(tài)（臨界狀態(tài)），稱為溝道夾斷，見圖(e)。當(dāng)滿足VDS>4.0V時(shí)，近漏端處半導(dǎo)體表面的反型層幾乎完全消失，并且夾斷點(diǎn)稍稍往源區(qū)方向移動(dòng)。由于夾斷區(qū)電阻率ρ很高，VDS的增量部分幾乎都降落在這里，故IDS幾乎不變，即伏安特性進(jìn)入飽和區(qū)。5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)5.3.2MOS型晶體管的輸出伏安特性方程MOS晶體管輸出伏安特性曲線nMOS——電子溝道(b)nMOS管非飽和區(qū)工作模型MOS管輸出伏安特性曲線可分成兩段，非飽和區(qū)與飽和區(qū)，見圖(a)所示。其中：非飽和區(qū)，0≤VDS<(VGS-VT)；飽和區(qū)，VDS>(VGS-VT)。圖(b)中所示，取nMOS管的近源端為坐標(biāo)原點(diǎn)0，垂直于襯底方向?yàn)閤方向，水平方向?yàn)閥方向。其中：L：溝道長(zhǎng)度；W：溝道寬度；Ich：溝道電流溝道電流Ich5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(c)反型層溝道y處的一個(gè)微分段(d)增量柵壓ΔV與溝道電壓降V(y)的關(guān)系1.非飽和區(qū)的電流-電壓方程式根據(jù)歐姆定律，有而故代入和得令代入上式，有5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)即大家知道，當(dāng)柵極電壓等于閾值電壓VT時(shí)，溝道剛剛形成，此時(shí)的溝道可動(dòng)電荷面密度Qn(y)≈0，故溝道電流仍約等于0。現(xiàn)在將柵壓VGS提升而超過閾值電壓ΔV時(shí)，即有ΔV=VGS-VT。我們看到將會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的溝道電流，由于有了溝道電流，溝道y點(diǎn)與原點(diǎn)0之間這一段溝道兩端將會(huì)產(chǎn)生電壓降V(y)，因此實(shí)際y點(diǎn)處柵溝之間氧化層兩端的電壓增量為ΔV’，且它們?nèi)咧g應(yīng)當(dāng)滿足下式即有或者5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)參看上圖(d)，增量柵壓ΔV與溝道電壓降V(y)的關(guān)系。這時(shí)將在金屬柵極與溝道y點(diǎn)處各產(chǎn)生增量面電荷密度+ΔQM(y)、-Qn(y)，顯然，它們?cè)跀?shù)值上相等，且滿足即綜合以上，有兩邊積分即該式即是所求的nMOS晶體管非飽和區(qū)的電流-電壓方程式。(1)5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)2.飽和區(qū)的電流-電壓方程式根據(jù)非飽和區(qū)伏安特性方程，只要令VDS=VGS-VT，此時(shí)nMOS管進(jìn)入飽和區(qū)，我們就可以得到飽和區(qū)的電流-電壓方程式，如下：一般在工程上，實(shí)際的溝道電流Ich與漏極電流IDS相差極小。因此，用IDS取代上述的Ich，即可得到nMOS晶體管的輸出伏安特性曲線的方程式(2)5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)令稱為MOS晶體管的導(dǎo)電因子，它是一個(gè)十分重要的參數(shù)。而(W/L)則稱為MOS晶體管的溝道寬長(zhǎng)比，它通常決定了一個(gè)MOS管的電流容量。k的單位為：mA/V2或A/V2。因而(3)(4)公式（3）、（4）就是常用的nMOS晶體管的輸出伏安特性方程式。前者描述了nMOS管非飽和區(qū)的特性，而后者則描述了nMOS飽和區(qū)的特性。5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(5)(6)對(duì)于pMOS晶體管，也有類似的表達(dá)式，即注意，上述(5)、(6)等式右邊均出現(xiàn)有一負(fù)號(hào)，原因是對(duì)pMOS晶體管而言，它的電流、電壓的實(shí)際方向與所選擇的參考方向均相反。因此，測(cè)量pMOS晶體管時(shí)，需要同時(shí)施加負(fù)極性的階梯信號(hào)和負(fù)極性的漏極掃描信號(hào)。其輸出伏安特性曲線見下圖所示。5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)5.3.3影響MOS型晶體管輸出伏安特性的一些因素1.溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)(a)(b)實(shí)際MOS晶體管的飽和區(qū)特性曲線隨著VDS的增加，曲線略有上翹，即意味著IDS略有增加。從圖(a)看出，當(dāng)VDS上升時(shí)，L是略有減小的，從而使k增加至k’，所以使得IDS略有增加，見圖(b)所示。這就是MOS管的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。2.半導(dǎo)體表面載流子遷移率μ的影響5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)受到半導(dǎo)體Si表面的缺陷以及表面電場(chǎng)等多種因素的作用，實(shí)驗(yàn)表明，MOS晶體管溝道表面反型層中載流子的遷移率遠(yuǎn)低于其體內(nèi)的遷移率。一般在MOS管的設(shè)計(jì)中，nMOS管溝道電子遷移率μn常取400～600cm2/V?S，而pMOS管溝道空穴遷移率μp常取130～190cm2/V?S。5.3.4MOS型晶體管的直流參數(shù)MOS型晶體管的直流參數(shù)除了前面所介紹的閾值電壓參數(shù)VT以外，還包括有一些電流及電壓等參數(shù)，它們對(duì)于一支MOS晶體管的合理使用也十分重要。下表給出了MOS型晶體管的幾個(gè)常用電參數(shù)。5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)序號(hào)參數(shù)名稱符號(hào)單位影響因素①漏源擊穿電壓BVDSV襯底電阻率ρ②漏柵擊穿電壓BVDGV柵介質(zhì)厚度tox、襯底電阻率ρ③柵源擊穿電壓BVGSV柵介質(zhì)厚度tox④漏源截止電流IOFFμAPN結(jié)漏電⑤漏極最大電流IDMA或mA導(dǎo)電因子k、(W/L)⑥開態(tài)導(dǎo)通電阻RONΩ導(dǎo)電因子k、VGSMOS型晶體管常用電學(xué)參數(shù)5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)5.3.5MOS型晶體管的溫度特性與柵保護(hù)1.表面載流子遷移率μ隨溫度T的變化隨著溫度T的上升，遷移率μ呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，遷移率μ與溫度T之間存在如下變化趨勢(shì)關(guān)系，μ∝T-3/2。遷移率下降盡管不利于漏極電流容量，但卻有利于MOS晶體管的溫度穩(wěn)定性。2.閾值電壓VT隨溫度T的變化以nMOS管為例綜合結(jié)果，當(dāng)T↑→VT↓。5.3MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)MOS晶體管輸入二極管保護(hù)3.MOS型晶體管的柵保護(hù)在MOS型晶體管中，柵電極與溝道之間僅隔著一層很薄的柵氧化層，厚度tox通常從幾十埃至幾百埃不等，這種結(jié)構(gòu)與一個(gè)普通電容器的結(jié)構(gòu)類似。當(dāng)MOS管的柵壓VGS超過一定值時(shí)，就會(huì)引起柵氧化層的擊穿，從而造成器件的永久失效。由于通常MOS管的柵輸入電容很小，因此，只需感應(yīng)極小的電荷量QM，就可能產(chǎn)生很高的柵壓，從而使柵介質(zhì)擊穿。例如一支MOS晶體管的柵電容僅為2pF，那么只需感應(yīng)1.5×10-10庫(kù)侖的電荷，就可產(chǎn)生75V的高壓，這對(duì)MOS管來講是很危險(xiǎn)的，這就是所謂的ESD（ESD——Electro-Staticdischarge，即靜電釋放）問題。圖示就是輸入二極管保護(hù)。5.4MOS型晶體管頻率特性與交流小信號(hào)參數(shù)5.4.1MOS型晶體管的交流小信號(hào)等效電路(a)實(shí)測(cè)nMOS管輸出伏安特性曲線(b)對(duì)非飽和區(qū)拋物線用直線作近似(c)忽略非飽和區(qū)的輸出特性曲線以上三圖對(duì)所測(cè)得的nMOS管的輸出特性曲線作了適當(dāng)?shù)难葑兣c簡(jiǎn)化，目的是使得對(duì)所獲得的MOS管的交流小信號(hào)等效電路更易于理解。很明顯，當(dāng)MOS管處于小信號(hào)放大狀態(tài)時(shí)，工作點(diǎn)處在飽和區(qū)，故作這樣的近似處理是合理的。5.4MOS型晶體管頻率特性與交流小信號(hào)參數(shù)(d)nMOS管簡(jiǎn)化輸出伏安特性曲線(e)nMOS管的直流等效電路考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，MOS管的輸出曲線表現(xiàn)為一定的上翹，即輸出電阻不是理想的無窮大，這時(shí)，飽和區(qū)方程為：λ為調(diào)制因子，取值0.005～0.03V-1。圖(e)中：Ri：為直流輸入電阻，近似為∞；k(VGS-VT)2：直流恒流源；rds：輸出電阻。5.4MOS型晶體管頻率特性與交流小信號(hào)參數(shù)(f)nMOS管高頻交流小信號(hào)等效電路因?yàn)楦鶕?jù)全微分表達(dá)式有一般地故有取則有令則等效電路見圖(f)。5.4MOS型晶體管頻率特性與交流小信號(hào)參數(shù)5.4.2MOS型晶體管的交流小信號(hào)參數(shù)ΩS、mS或Ω-1單位表達(dá)式定義式rdsgm符號(hào)漏極輸出電阻跨導(dǎo)參數(shù)名稱②①序號(hào)MOS管的跨導(dǎo)和漏極輸出電阻5.4MOS型晶體管頻率特性與交流小信號(hào)參數(shù)5.4.3MOS型晶體管的最高工作頻率fm定義：當(dāng)放大器的輸入信號(hào)頻率f升高，并使得MOS晶體管的輸出漏極信號(hào)電流ids下降至等于輸入信號(hào)電流ii時(shí)，這時(shí)的輸入信號(hào)頻率f就稱為MOS晶體管的最高工作頻率，用fm表示。(g)MOS型晶體管共源放大器交流小信號(hào)等效電路利用該定義，結(jié)合圖(g)電路，可得到fm表達(dá)式如下：fm反比與L2，正比與載流子遷移率μ。5.4MOS型晶體管頻率特性與交流小信號(hào)參數(shù)5.4.4MOS型晶體管開關(guān)MOS晶體管是一種電壓控制型器件，具有極高的輸入阻抗。導(dǎo)通時(shí)，它只有一種載流子參與導(dǎo)電，不存在所謂的少子存儲(chǔ)效應(yīng)。因此，管子從導(dǎo)通到截止（關(guān)斷）的時(shí)間很短，開關(guān)速度很快，非常適合于充當(dāng)電子開關(guān)而用于數(shù)字集成電路中。隨著微電子制造工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，MOS晶體管的幾何尺寸已進(jìn)入到納米（1nm=10-9m）時(shí)代，制備MOS晶體管柵介質(zhì)層的厚度tox甚至薄至僅有幾十個(gè)埃，在同一片半導(dǎo)體Si小芯片上，集成了幾千萬個(gè)MOS晶體管的超大規(guī)模集成電路已成為現(xiàn)實(shí)。5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征(a)一個(gè)nMOS管和一個(gè)pMOS管的連接(b)兩個(gè)晶體管的對(duì)應(yīng)版圖5.5.1小尺寸集成MOS晶體管的版圖（橫向結(jié)構(gòu)）版圖是指一系列簡(jiǎn)單幾何圖形（例如矩形、線條、圓弧等）的集合，這些圖形元素按規(guī)定要求進(jìn)行排列與組合，構(gòu)成一個(gè)圖形陣列。通常意義上所說的版圖一般是指某一種晶體管或者某一型號(hào)的集成電路所對(duì)應(yīng)的復(fù)合版圖，它們按層次或先后順序彼此套疊在一起。5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征MOS型晶體管的復(fù)合版圖中常見圖層的說明MOS型晶體管所在的區(qū)域有源區(qū)2形成MOS型晶體管電極和互連線形成金屬接觸孔形成pMOS型晶體管源/漏區(qū)(S/D)形成nMOS型晶體管源/漏區(qū)(S/D)形成MOS型多晶硅柵電極形成N型隔離阱區(qū)，用于制作pMOS型晶體管說明金屬層接觸孔硼離子注入?yún)^(qū)磷離子注入?yún)^(qū)多晶硅N-Well(N-阱)圖層名稱圖層765431序號(hào)(a)n-well(n-阱)(c)多晶硅(b)有源區(qū)5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征分版圖實(shí)際掩模版圖形(局部)(f)接觸孔(e)硼離子注入?yún)^(qū)(d)磷離子注入?yún)^(qū)5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征(g)金屬層1.襯底制備2.n-阱(well)注入3.淀積Si3N4n-阱4.Si3N4層光刻P-Si襯底（substrate）n-阱n-阱5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征5.5.2小尺寸集成MOS型晶體管的剖面（縱向結(jié)構(gòu)）5.場(chǎng)氧化(Fox)6.去除Si3N4，進(jìn)行柵氧8.n+S/D(源/漏)注入n-阱n-阱7.淀積多晶硅(Poly-Si)n-阱n-阱（光刻膠）5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征9.p+S/D(源/漏)注入10.淀積BPSG（硼磷硅玻璃）11.淀積Metal(金屬)12.淀積鈍化層，并進(jìn)行CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征5.5.3按比例縮小設(shè)計(jì)規(guī)則年份1997199920012003200620102016溝道長(zhǎng)度L/μm0.250.180.130.10.070.0450.0221997—2016年MOSFET溝道長(zhǎng)度L的演變與預(yù)測(cè)Moore(莫爾)定律——MOS大規(guī)模集成電路芯片上器件的集成度每隔18～24個(gè)月翻一番。R.H.Dennard（R.H.迪納德）于1974年提出關(guān)系MOS器件的“按比例縮小”設(shè)計(jì)的理論，該理論成為日后MOS晶體管尺寸持續(xù)縮小的理論支撐。5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征“按比例縮小”設(shè)計(jì)的CE（恒定電場(chǎng)）理論所謂恒定電場(chǎng)(CE)“按比例縮小”設(shè)計(jì)理論——是指MOS晶體管的橫向與縱向尺寸以及工作電壓等參數(shù)按同樣的比例縮小，從而使器件里的電場(chǎng)強(qiáng)度E保持不變。(a)器件縮小前(b)器件縮小后（k<1）5.5MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征性能影響器件和電路參數(shù)比例因子比例參數(shù)器件尺寸(L，tox，W，xj)k襯底摻雜濃度NB1/k電壓k器件參數(shù)性能耗盡區(qū)寬度k電容k溝道電流k電路參數(shù)性能器件密度1/k2器件功耗(P=IU)k2延遲時(shí)間τdk功耗延時(shí)乘積Pτk3恒定電場(chǎng)下MOSFET按比例縮小后對(duì)相關(guān)性能影響小結(jié)（k<1）5.6小尺寸集成MOS型晶體管的幾個(gè)效應(yīng)