控制閾值電壓

2022年，集成電路半導(dǎo)體行業(yè)最熱的頭條是“EDA被全面封鎖”。如何突破EDA封鎖，成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞，也是群體焦慮。在全球市場(chǎng)，有人比喻EDA是“芯片之母”，如果沒(méi)有了芯片，工業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步將處處受制，EDA的重要性也上升到了戰(zhàn)略性高度。盡管?chē)?guó)際封鎖形勢(shì)嚴(yán)峻，但睿智的中國(guó)科技人擅于把危機(jī)化為機(jī)會(huì)，從《加快自動(dòng)研發(fā)應(yīng)用，讓工業(yè)軟件不再卡脖子》，到《破解科技卡脖子要打好三張牌》，即一要打好“基礎(chǔ)牌”，提升基礎(chǔ)創(chuàng)新能力；二要打好“應(yīng)用牌”，加強(qiáng)對(duì)高精尖國(guó)貨的應(yīng)用；三是要打好“人才牌”，讓人才留得住、用得上、有發(fā)展……，各種政策、舉措和實(shí)際行動(dòng)，處處彰顯了我們中國(guó)科技的發(fā)展韌性。

我們EDA探索頻道，今天迎來(lái)了第9期的精彩內(nèi)容——控制閾值電壓，下面就跟著小編一起來(lái)開(kāi)啟今天的探索之旅吧~

MOSFET的最重要參數(shù)之一便是閾值電壓，理想的閾值電壓由以下公式給出。

然而，當(dāng)我們考慮到固定氧化物電荷的影響和功函數(shù)的差異時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平帶電壓移動(dòng)。

此外，襯底偏壓也能影響閾值電壓。當(dāng)在襯底和源極之間施加反向偏壓時(shí)，耗盡區(qū)被加寬，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)所需的閾值電壓也必須增加，以適應(yīng)更大的Qsc。

考慮到這些因素，得到的閾值電壓表達(dá)式為：

圖：NMOS與PMOS管在不同柵極條件下的計(jì)算結(jié)果。柵氧化層為5nm, VBS=0, Qf=0

引自S.M.Sze“SemiconductorDevicesPhysicsandTechnology”

上圖是一個(gè)計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)的是不同柵極的NMOS和PMOS的閾值電壓與襯底摻雜的關(guān)系。本征的多晶硅柵極相當(dāng)于4.61eV的功函數(shù)。

精確控制集成電路中MOSFET的閾值電壓對(duì)電路的可靠性至關(guān)重要。通常情況下，閾值電壓是通過(guò)向溝道區(qū)的離子注入來(lái)調(diào)整的。例如，經(jīng)過(guò)表面氧化層的硼注入通常被用來(lái)調(diào)整n溝道MOSFET的閾值電壓（帶p型襯底）。通過(guò)增大溝道的摻雜濃度來(lái)提升閾值電壓。由于離子注入的能量和劑量是可以精確控制的，可以由此實(shí)現(xiàn)對(duì)閾值電壓的精確控制。同理，向p型溝道注入少量的硼可以減少VT。

我們還可以通過(guò)改變氧化物的厚度來(lái)控制VT。隨著氧化層厚度的增加，n溝道MOSFET的閾值電壓變得更正，p溝道MOSFET的閾值電壓變得更負(fù)。這是由于在一定的柵極電壓下，氧化物越厚，相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)越小。這種方法被廣泛用于隔離在芯片上的晶體管。下圖顯示了隔離氧化層(也稱(chēng)為場(chǎng)氧化層)在n+擴(kuò)散區(qū)和n阱之間的橫截面。

圖：寄生的場(chǎng)區(qū)晶體管橫截面示意圖

引自S.M.Sze“SemiconductorDevicesPhysicsandTechnology”

n+擴(kuò)散區(qū)是n型溝道區(qū)或者M(jìn)OSFET的源區(qū)或漏區(qū)。MOSFET的柵極氧化物要比場(chǎng)氧化物薄得多。當(dāng)電力線在場(chǎng)氧化層上形成時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寄生的MOSFET，也稱(chēng)為“場(chǎng)區(qū)晶體管”，其n+擴(kuò)散區(qū)和n阱區(qū)分別作為源極和漏極。

場(chǎng)區(qū)晶體管的VT通常比正常的薄柵氧化物的VT大一個(gè)數(shù)量級(jí)。在電路正常運(yùn)行時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管不會(huì)被打開(kāi)。因此，場(chǎng)氧化層在n+擴(kuò)散區(qū)和n孔區(qū)之間提供了良好的隔離。

襯底偏壓也可以用來(lái)調(diào)整閾值電壓。源極和襯底可能不在同一電位上。在器件正常工作時(shí)，源和襯底之間的p-n結(jié)必須是零或反向偏壓。如果VBS為零，襯底的表面電位為2ψB。當(dāng)施加反向襯底-源極偏壓（VBS>0）時(shí)，溝道中的電子電勢(shì)則會(huì)拉高到高于源極的電勢(shì)的水平。溝道中的電子將被橫向推到源極。如果要保持在強(qiáng)反型條件下溝道中的電子密度保持不變，柵極電壓必須提高到2ψB+VBS。

審核編輯 ：李倩