详解MOS管阈值电压与沟长和沟宽的关系及影响阈值电压的因素

阈(yu)值电(dian)(dian)(dian)压 （Threshold voltage）：通(tong)常将传输(shu)(shu)特(te)性曲(qu)线(xian)中(zhong)输(shu)(shu)出电(dian)(dian)(dian)流随输(shu)(shu)入(ru)电(dian)(dian)(dian)压改变(bian)(bian)而急剧变(bian)(bian)化(hua)转折区(qu)的(de)(de)中(zhong)点对应的(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)电(dian)(dian)(dian)压称(cheng)为阈(yu)值电(dian)(dian)(dian)压。在(zai)描(miao)述不同的(de)(de)器件(jian)时具有不同的(de)(de)参数。如描(miao)述场发射的(de)(de)特(te)性时，电(dian)(dian)(dian)流达到10mA时的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压被称(cheng)为阈(yu)值电(dian)(dian)(dian)压。

MOS管阈值电压与沟长和沟宽的关系

关于(yu) MOSFET 的(de) W 和 L 对其阈值电(dian)压(ya) Vth 的(de)影响，实(shi)际在考虑工(gong)艺(yi)相关因素后都是(shi)比较复杂，但是(shi)也可以有一些简化的(de)分析(xi)，这里主要还是(shi)分析(xi)当(dang)晶体(ti)管处在窄沟道和短沟道情况下，MOSFET 耗尽区的(de)电(dian)荷的(de)变化，从而分析(xi)其对晶体(ti)管的(de)阈值电(dian)压(ya)的(de)作用。

Narrow channel 窄沟的分析

从上(shang)图(tu)(tu)可以看到，决定MOSFET阈值电(dian)压(ya)的(de)(de)耗(hao)尽(jin)层电(dian)荷(he)，并不仅(jin)是在栅下区(qu)(qu)域的(de)(de)电(dian)荷(he) Qch；实际上(shang)在图(tu)(tu)中耗(hao)尽(jin)区(qu)(qu)左右与表面相(xiang)接(jie)处，还需要有额外(wai)的(de)(de)电(dian)荷(he) Qchw。

在晶体管的(de)沟(gou)宽 W 较大时，Qchw 这一额外的(de)电(dian)荷(he)可(ke)以忽略(lve)；而(er)当沟(gou)宽 W 较小时，Qchw 不能(neng)再忽略(lve)，使得等效的(de)耗尽层电(dian)荷(he)密(mi)度增加，MOS 管的(de)阈值电(dian)压升高，即如上面图所示。

实际(ji)上(shang)，窄沟(gou)导致的(de)阈值电(dian)(dian)压(ya)(ya)的(de)变化也可以理(li)解为在(zai)沟(gou)宽 W 方向的(de)边缘电(dian)(dian)场的(de)电(dian)(dian)力线出现在(zai)沟(gou)道以外，因(yin)此(ci)需要(yao)更多的(de)栅电(dian)(dian)压(ya)(ya)来维持沟(gou)道开启。因(yin)此(ci)窄沟(gou)的(de)效(xiao)应实际(ji)上(shang)与具体的(de)集(ji)成电(dian)(dian)路工艺，例如器件(jian)采(cai)用的(de)隔(ge)离方式和隔(ge)离区域的(de)掺(chan)杂(za)浓度等关系很大。

对于 STI （shallow trench isolaTIon） 隔离方式的(de)(de) MOSFET， 由于 STI wall 的(de)(de)作用，沟宽 W 方向(xiang)的(de)(de)边缘电场(chang)的(de)(de)电力线实际上是(shi)在沟道方向(xiang)集中，因此会出现(xian)所谓的(de)(de) inverse narrow-width effect，也即是(shi)随着沟宽 W 的(de)(de)减小(xiao)，阈值电压随之减小(xiao)。

Short channel 短沟(gou)的分(fen)析

如(ru)上面左图所示(shi)， 晶体(ti)管中耗(hao)尽层电(dian)(dian)(dian)荷包括从(cong)源到漏的(de)所有电(dian)(dian)(dian)荷。 但是(shi)， 实际上在靠近源和漏端的(de)部分电(dian)(dian)(dian)荷 Qchl ， 不再直(zhi)接受(shou)控于栅， 而是(shi)由源和漏来控制。 因此(ci) Qchl 是(shi)不应该包含在阈值电(dian)(dian)(dian)压的(de)计算中的(de)。

类似之(zhi)前的(de)分析(xi)， 当沟长 L 较小时， 需(xu)要(yao)考虑 Qchl 影响， 使(shi)等效的(de)耗尽层(ceng)电(dian)荷密度减(jian)小， MOS 管(guan)的(de)阈(yu)值电(dian)压减(jian)小，即如上(shang)面右图所示。

在(zai)具(ju)体工艺中， 由于存在(zai)沟道的(de)(de)非均匀掺杂等现象(xiang)，实(shi)际上(shang)会使(shi)得有 reverse short-channel effect 的(de)(de)出现，即随着 MOSFET 的(de)(de)沟长(zhang) L 的(de)(de)减(jian)小，阈(yu)值(zhi)电压会先小幅升高(gao)，之后 L 进一(yi)步减(jian)小时(shi)，阈(yu)值(zhi)电压下降，并且此(ci)时(shi)的(de)(de)阈(yu)值(zhi)电压对沟长(zhang)的(de)(de)变化更为敏感(gan)。

影响阈值电压的因素

一(yi)个特(te)定的(de)(de)晶(jing)体管的(de)(de)阈值(zhi)电(dian)(dian)压和很多因素有关，包括backgate的(de)(de)掺杂(za)，电(dian)(dian)介质的(de)(de)厚(hou)度，栅极材质和电(dian)(dian)介质中的(de)(de)过(guo)剩电(dian)(dian)荷。

1、背栅的掺杂

背栅（backgate）的掺(chan)杂(za)是决定阈(yu)值(zhi)电压的主(zhu)要(yao)因素。如果背栅掺(chan)杂(za)

越重，它就(jiu)越难反(fan)(fan)转。要反(fan)(fan)转就(jiu)要更强的电场，阈值电压就(jiu)上升了。MOS管(guan)的背栅(zha)掺杂能通过在介电层(ceng)表面下的稍微的implant来调整。

2、电介(jie)质(zhi)

电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)介(jie)质在决定(ding)阈(yu)值(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压方面也(ye)起了重要作用。厚电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)介(jie)质由于比(bi)较厚而(er)削弱了电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场。所以(yi)厚电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)介(jie)质使阈(yu)值(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压上升，而(er)薄电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)介(jie)质使阈(yu)值(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压下降。

3、栅极的物质(zhi)成分

栅极（gate）的物质成分对阈值电压也(ye)有所(suo)影响。如上(shang)所(suo)述，当(dang)GATE和BACKGATE短接时，电场就(jiu)施加在gate oxide上(shang)。

4、介电(dian)层与栅极(ji)界面上过(guo)剩的电(dian)荷

GATE OXIDE或(huo)氧化物和硅表面(mian)之间界面(mian)上过剩的(de)(de)电(dian)荷(he)(he)也可(ke)能影(ying)响(xiang)阈值(zhi)电(dian)压。这些(xie)电(dian)荷(he)(he)中可(ke)能有(you)离子化的(de)(de)杂质原子，捕获(huo)(huo)的(de)(de)载流子，或(huo)结构(gou)缺陷。电(dian)介质或(huo)它表面(mian)捕获(huo)(huo)的(de)(de)电(dian)荷(he)(he)会(hui)影(ying)响(xiang)电(dian)场并(bing)进一步影(ying)响(xiang)阈值(zhi)电(dian)压。如果被捕获(huo)(huo)的(de)(de)电(dian)子随着(zhe)时间，温度或(huo)偏置电(dian)压而变化，那么阈值(zhi)电(dian)压也会(hui)跟(gen)着(zhe)变化。

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