当VGS>VT时,漏集电流ID>0。
当VGS增大时,N型沟道内的可动电子数的量就越多,ID越大。
反之,当VGS减小时,N型沟道内的可动电子数将减少,ID也随
之减小。
在漏源电压VDS恒定不变时,漏极电流ID随栅源电压VGS的变化而变化的规律,称为MOSFET的转移特性。
因此MOSFET的基本工作原理,是通过改变柵源电压VGS来控制沟道的导电能力,进而控制漏极电流ID。
所以,根据其工作原理,MOSFET是一种电压控制型器件。
2.MOSFET转移特性
VDS恒定时,棚源电压VGS和漏源电流IDS的关系曲线即是MOSFET的转移特性。
对于增强型NMOSFET,在一定的VDS下,VGS=0时,IDS=0;只有VGS>VT时才有IDS>0。
图3为增强型NMOSFET的转移特性曲线。
图中转折点位置处的VGS(th)值为闻值电压。
3.MOSFET的输出特性
MOSFET输出特性是当VGS>VT且恒定不变时,漏极电流ID随漏源电压VDS变化而变化的规律。
(1)当VDS>0且较小时,电势在整个沟道长度内近似为零,柵极与沟道电势差处处相等,所以沟道中各点的自由电子浓度近似相等,如图4(a)所示,此时沟道就等价于一个电阻值不随VDs变化的固定电阻,因此ID与VDS成线性关系,如图5的0A段直线显示的区域为线性区。
(2)当VDS逐渐增大时,沟道电流逐渐增大,沟道电势也逐渐增大。
沟道中电子浓度将随电势差减小而减小,
所以沟道厚度逐渐减薄。
因此,沟道电阻将随着沟道内电子浓度减少和沟道减薄而增大。
即当
VDS较大时,
沟道电阻增大,导致ID的增加速率变慢,如图5中AB段所示。
(3)当VDS=VDW时,在漏极处沟道厚度减薄到零,该处只剩下耗尽层,沟道被夹断,如图
4(b)所示。
图5
中的点B代表沟道开始夹断的工作状态,该区域为过渡区。
(4)当VDS>VDSal时,沟道夹断点向源极方向移动,因此耗尽区存在于沟道与漏极间,如图
4(c)所示。
当沟
道的电子到达沟道端头耗尽区的边界时,将立刻被耗尽区内强大的电场扫入漏区。
但是由于电子的漂移速度
在耗尽区中达到饱和,不随电场的增大而变化,因此ID也达到饱和不再随VDS的增大而增大,如图4中BC
段所示,该区域为饱和区。
(5)当VDS=BVDS时,反向偏置的漏PN结发牛雪崩击穿,或源漏穿通,导致ID迅速上升。
如图5中CD
段所示,该区为击穿区。
4.影响阈值电压的因素
其中,Cox为栅电容,为费米势,为接触电势差,QOX为氧化层电荷密度。
由公式⑤可知,影响阈值电压的主要由栅电容Cox、衬底杂质浓度、氧化层电荷密度Qox等因素决定。
由可知,氧化层厚度tox越薄,则Cox越大,使阈值电压VT降低。
费米势:
,,当P区掺朵浓度NA变大,则费米势增大,阈值电压VT增大。
氧化层电荷密度Qox增大,则VT减小。
实验内容
1、根据MOSFET工艺流程,运用Athene工艺仿真软件设计器件,设计目标参数;
2、采用ALTAS器件仿真工具对NMOS器件电学特性仿真;
3、改变器件结构参数和工艺参数,分析其对NMOS器件主要电学特性的影响。
四、实验结果
(一)器件设计
1、器件结构设计
MOS管,
在
如图所示,设置一个以P型为衬底,浓度为1e14,并制作两个n+区作为源区,漏区的N沟道长度为1.2um,高度为0.8um,在沟道区的表面作为介质的绝缘栅由热氧化工艺生长的二氧化硅层,源区,漏区和绝缘栅的电极由一层铝淀积,引出电极,为S极,G极和D极。
图一器件结构
2、代码翻译、单步仿真、画结构图
#(c)SilvacoInc.,2013goathena
#定义X方向网格linexloc=0.0spac=0.1linexloc=0.2spac=0.006linexloc=0.4spac=0.006linexloc=0.6spac=0.01#定义Y方向网格lineyloc=0.0spac=0.002lineyloc=0.2spac=0.005lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=0.8spac=0.15
#网格初始化,晶向100硅衬底,磷掺杂浓度为1e14,网格间隔2,二维仿真initorientation=100c.phos=1e14space.mul=2two.d
#
#pwellformationincludingmaskingoffofthenwell
#在1000度和一个大气压条件下进行30分钟干氧扩散,氯酸气体含量为3%。
diffustime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl=3
#刻蚀掉厚度为0.02um的氧化物薄膜etchoxidethick=0.02
#
#P-wellImplant
#对表面进行B离子注入,离子剂量为8e12,能量为100KeV
implantborondose=8e12energy=100pears
#对表面进行湿氧处理,温度为950度,时间为100分钟diffustemp=950time=100weto2hcl=3
#
#N-wellimplantnotshown-
#在进行干氧处理,温度在50分钟内从1000度升高1200度,大气压为0.1个
#welldrivestartshere
diffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3
#在1200温度下的氮气进行220分钟的扩散后退火diffustime=220temp=1200nitropress=1
#在90分钟内从1200度降到800度
diffustime=90temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1
#蚀刻全部氧化物etchoxideall
#在1000度和一个大气压条件下进行20分钟干氧扩散,氯酸气体含量为3%#sacrificial"cleaning"oxide
diffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3
#蚀刻全部氧化物etchoxideall
#在925度和一个大气压条件下进行11分钟干氧扩散,氯酸气体含量为3%#gateoxidegrownhere:
-
diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3
#提取参数(gateox栅氧化层厚度)
#Extractadesignparameter
extractname="gateox"thicknessoxidemat.occno=1x.val=0.05
#注入B离子的浓度为9.5e11,能量为100KeV(改变阈值电压)#vtadjustimplant
implantborondose=9.5e11energy=10pearson
#用division参数设置淀积厚度为0.2um的多晶硅depopolythick=0.2divi=10
#
#fromnowonthesituationis2-D
#蚀掉左边不要的多晶硅,长度为0.35um,高为0.2umetchpolyleftp1.x=0.35
#method语句用以分别调用fermi扩散模型和compress氧化模型methodfermicompress
diffusetime=3temp=900weto2press=1.0
#表面进行磷注入,浓度为3.0e13,能量为20kevimplantphosphordose=3.0e13energy=20pearson
#
depooxidethick=0.120divisions=8
#干蚀法蚀掉厚度为0.12um的氧化层薄膜etchoxidedrythick=0.120
#AS离子注入,浓度为5.0e15,离子能量为50KeVimplantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson
#在氮气条件下900度进行一分钟扩散methodfermicompress
diffusetime=1temp=900nitropress=1.0
#刻蚀左边的氧化物,长度为
0.2um
#patterns/dcontactmetal
etchoxideleftp1.x=0.2
depositaluminthick=0.03divi=2etchaluminrightp1.x=0.18
#Extractdesignparameters
#提取参数
#提取参数结深nxj
#extractfinalS/DXj
extractname="nxj"xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1
#提取方块电阻
#extracttheN++regionssheetresistance
extractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1
#extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregion
extractname="lddsheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"\mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1
#extractthesurfaceconcunderthechannel.
extractname="chansurfconc"surf.concimpurity="NetDoping"\material="Silicon"mat.occno=1x.val=0.45
#extractacurveofconductanceversusbias.extractstartmaterial="Polysilicon"mat.occno=1\
bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45
extractdonename="sheetcondvbias"\
curve(bias,1dn.conductmaterial="Silicon"mat.occno=1region.occno=1)\outfile="extract.dat"
#提取长沟道阈值电压
#extractthelongchanVt
extractname="n1dvt"1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0.49#镜像语句,器件左右对称
structuremirrorright
structureoutfile=mos1ex01_0.str
#plotthestructure
tonyplotmos1ex010.str-setmos1ex010.set
#############VtTest:
ReturnsVt,BetaandTheta################goatlas
#设置模型
#setmaterialmodelsmodelscvtsrhprint#设置接触类型contactname=gaten.polyinterfaceqf=3e10#牛顿算法
methodnewtonsolveinit
#求解初始化
#Biasthedrain
solvevdrain=0.1
#对漏极曲线追踪
#Rampthegate
logoutf=mos1ex01_1.logmaster
solvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gate
saveoutf=mos1ex01_1.str
保存输出文件绘画出文件
#plotresults
tonyplotmos1ex01_1.log-setmos1ex01_1_log.set
#提取阈值电压参数
#extractdeviceparameters
extractname="nvt"(xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\
-abs(ave(v."drain"))/2.0)
extractname="nbeta"slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\
*(1.0/abs(ave(v."drain")))
extractname="ntheta"((max(abs(v."drain"))*$"nbeta")/max(abs(i."drain")))\
-(1.0/(max(abs(v."gate"))-($"nvt")))quit
(二)对比分析
(1)改变衬底掺杂浓度
implantborondose=8e12energy=100pears
表3-1改变衬底掺杂浓度的实验结果图
表3-2改变衬底掺杂浓度的实验数据
掺杂浓度
阈值电压(V)
长沟道阈值电压
(V)
方块电阻(Ω)
栅氧化层浓度
(μm)
9e10
0.216853
0.353586
28.6833
100.433
9e12
0.553618
0.631426
28.8934
100.181
9e13
1.353970
1.280100
28.4957
100.329
分析:
由上图可知,其他条件不变,在一定的范围内,随着掺杂浓度的增加,器件的结构发生变化,施
主受主杂质分布也发生变化,栅氧化层厚度变大,阈值电压值也随着变大,从转移特性曲线可以看出长沟道阈值电压也随着浓度的升高而升高,方块电阻也会变大。
(2)改变退火的时间
methodfermicompress
diffusetime=3temp=900weto2press=1.0
表3-3改变退火时间的实验结果图
表3-4改变退火时间的实验数据
时间
阈值电压(V)
长沟道阈值电压
(V)
方块电阻(Ω)
栅氧化层浓度
(μm)
1
0.502406
0.590885
29.8178
100.165
2
0.511077
0.601869
29.2412
100.165
3
0.534723
0.614873
28.8825
100.165
(3)改变调整阈值电压时离子注入的浓度implantborondose=9.5e11energy=10pearson表3-5改变衬底阈值电压的实验结果图
分析:
由图表可知,其他条件不变,改变工艺退火的时间,器件结构和杂质分布都会发生变化,栅氧化层厚度不变,阈值电压值随着退火的时间升高而升高,从转移特性曲线和表可知长沟道阈值电压值也随着升高,方块电阻变小然后变大。
表3-6改变衬底阈值电压的实验数据
浓度
阈值电压(V)
长沟道阈值电压
(V)
方块电阻(Ω)
栅氧化层浓度
(μm)
9.5e11
0.5347230
0.6148730
28.8825
100.165
10e11
0.549037
0.629251
28.8828
100.165
9.5e12
2.16324
1.86911
28.9261
100.165
分析:
由图表可知,其他条件不变,改变调整阈值电压时离子注入的浓度,随着注入离子的浓度升高,
栅氧化层厚度不变,阈值电压值也增加,从特性转移曲线看到长沟道阈值电压值也随着注入离子浓度的
升高而升高。