八章場(chǎng)效應(yīng)晶體管

第八章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管一.概述

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor,FET）的發(fā)明早于雙極型晶體管，但是由于當(dāng)時(shí)的集成電路制造工藝無(wú)法生長(zhǎng)出高質(zhì)量的介質(zhì)薄膜，使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管沒有成功生產(chǎn)出來(lái)。二十世紀(jì)六十年代，由于適合于柵極的絕緣介質(zhì)薄膜的成功生產(chǎn)，使得制造金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET，簡(jiǎn)稱為MOS晶體管）成為可能。早期的MOS晶體管由于制造工藝不成熟，存在閾值電壓不穩(wěn)定、薄氧化層易被擊穿等問題。隨著工藝水平的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在制造MOS晶體管的工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟了，人們已經(jīng)可以制備性能優(yōu)良的CMOS晶體管電路了。

一.概述

CMOS晶體管電路和其它電路（例如雙極型晶體管電路）相比較，具有電流損耗更低、面積更小、設(shè)計(jì)更加靈活的優(yōu)點(diǎn)。CMOS晶體管電路可用于數(shù)字電路和模擬電路，并且在一些特定應(yīng)用上開始替代雙極型晶體管電路。但是，CMOS晶體管并不具備雙極型晶體管的全部性質(zhì)，為了充分利用CMOS晶體管和雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)出現(xiàn)了可將雙極型晶體管和CMOS晶體管制作在同一襯底上的工藝，即BiCMOS工藝。

一.概述

MOS晶體管是四端器件，具有源極（S）、漏極（D）、柵極（G）和襯底（B）四個(gè)電極，按導(dǎo)電類型分為NMOS晶體管和PMOS晶體管兩種.

（a）NMOS（b）PMOS一.概述

二.MOS管的版圖

NMOS晶體管的立體圖和俯視圖（a）立體圖（b）俯視圖二.MOS管的版圖

圖PMOS晶體管的版圖示意圖二.MOS管的版圖

阱層（Well）：阱層定義在襯底上制備阱的區(qū)域。NMOS管制備在P型襯底上，PMOS管制備在N型襯底上。一塊原始的半導(dǎo)體材料，摻入的雜質(zhì)類型只能有一種，即該襯底不是N型就是P型。如果不對(duì)襯底進(jìn)行加工處理的話，該襯底只能制備一種MOS晶體管。CMOS集成電路是把NMOS晶體管和PMOS晶體管制備在同一個(gè)硅片襯底上，為了能夠制造CMOS集成電路，需要對(duì)襯底進(jìn)行處理，利用摻雜工藝在襯底上形成一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域的摻雜類型和襯底的摻雜類型相反，這個(gè)區(qū)域就稱為阱。二.MOS管的版圖

有源區(qū)層（Active）：有源區(qū)層的作用是在襯底上定義制作有源區(qū)的區(qū)域，該區(qū)域包括源區(qū)、漏區(qū)和溝道。在襯底上淀積厚氧化層，利用光刻和刻蝕工藝在襯底上開窗口并把厚氧化層除去就可形成有源區(qū)，有源區(qū)之外的區(qū)域是場(chǎng)區(qū)。顯然，MOS管必須而且只能制備在有源區(qū)內(nèi)。二.MOS管的版圖

P+注入層和N+注入層（P+implant和N+implant）：P+注入層定義注入P+雜質(zhì)離子的區(qū)域，而N+注入層定義注入N+雜質(zhì)離子的區(qū)域。由于NMOS晶體管和PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)相同，只是源漏區(qū)的摻雜類型相反。同時(shí)，有源區(qū)層只是定義了源區(qū)、漏區(qū)和溝道的區(qū)域，卻沒有說明源區(qū)和漏區(qū)的摻雜類型。P+注入層和N+注入層說明了注入雜質(zhì)的類型，也就是說明了有源區(qū)的導(dǎo)電類型，實(shí)現(xiàn)了NMOS晶體管和PMOS晶體管的區(qū)分。二.MOS管的版圖

P+注入層和N+注入層（P+implant和N+implant）：P+注入層定義注入P+雜質(zhì)離子的區(qū)域，而N+注入層定義注入N+雜質(zhì)離子的區(qū)域。由于NMOS晶體管和PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)相同，只是源漏區(qū)的摻雜類型相反。同時(shí)，有源區(qū)層只是定義了源區(qū)、漏區(qū)和溝道的區(qū)域，卻沒有說明源區(qū)和漏區(qū)的摻雜類型。P+注入層和N+注入層說明了注入雜質(zhì)的類型，也就是說明了有源區(qū)的導(dǎo)電類型，實(shí)現(xiàn)了NMOS晶體管和PMOS晶體管的區(qū)分。二.MOS管的版圖

多晶硅層（Poly）：多晶硅層的作用是定義制作多晶硅材料的區(qū)域。最早的MOS集成電路制造工藝只能制備一層多晶硅，而現(xiàn)在已經(jīng)有能夠制備兩層多晶硅的工藝了。對(duì)于雙層多晶硅工藝，第一層多晶硅主要用來(lái)制作柵極、導(dǎo)線和多晶硅—多晶硅電容的下極板，第二層多晶硅主要用來(lái)制作多晶硅電阻和多晶硅－多晶硅電容的上極板。雙層多晶硅工藝具有多晶硅1和多晶硅2這兩個(gè)版圖層。二.MOS管的版圖

金屬層：實(shí)現(xiàn)金屬互連。二.MOS管的版圖

接觸孔層（Contact）：接觸孔層定義制作接觸孔的區(qū)域。MOS晶體管的源極、漏極、柵極和襯底都要與電源或其它元件相連接，這樣才能對(duì)MOS晶體管供電使其工作并和其它元件一起組成具有使用價(jià)值的電路。有源區(qū)和場(chǎng)區(qū)的表面以及多晶硅柵極上都有二氧化硅薄膜的存在，而二氧化硅是不導(dǎo)電的，為了能進(jìn)行電連接，需要將襯底和多晶硅上某些區(qū)域上的二氧化硅去除，打開窗口，在窗口內(nèi)填塞金屬，并用金屬線進(jìn)行連接。這些窗口就是接觸孔，其作用是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料和金屬的歐姆接觸，從而對(duì)MOS晶體管的各個(gè)電極進(jìn)行電連接。

二.MOS管的版圖

二.MOS管的版圖

二.MOS管的版圖

圖NMOS晶體管的版圖示意圖二.MOS管的版圖

三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的串聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的串聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的串聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的并聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的并聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的并聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的并聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

源漏共用MOS管的串并聯(lián)：三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

特殊尺寸MOS管大尺寸MOS晶體管（W/L>>1）

寬長(zhǎng)比很大的MOS晶體管的版圖對(duì)于寬長(zhǎng)比特別大的MOS晶體管，其版圖可以采用以下步驟進(jìn)行處理：拆分->源漏共用->叉指連接。三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

大尺寸MOS晶體管（W/L>>1）:步驟一：拆分。將寬長(zhǎng)比很大的MOS晶體管的版圖進(jìn)行拆分，把它截成幾段，拆分的數(shù)量以最終的版圖接近方形為宜，因?yàn)榉叫蔚陌鎴D有利于布局，容易和其它版圖相拼接。三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

大尺寸MOS晶體管（W/L>>1）:步驟二：源漏共用。利用源漏共用技術(shù)進(jìn)行并聯(lián)。三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

大尺寸MOS晶體管（W/L>>1）:步驟三：叉指連接。采用叉指連接的方式進(jìn)行金屬連接。

三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

特殊尺寸MOS管小尺寸MOS晶體管（W/L<1）

三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

特殊形狀MOS管曲線形狀MOS晶體管的版圖三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

特殊形狀MOS管三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

特殊形狀MOS管三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

襯底連接與阱連接制作CMOS集成電路有N阱工藝、P阱工藝和雙阱工藝，無(wú)論哪種工藝，在阱和襯底之間都存在PN結(jié)。以N阱工藝為例，在P型襯底和N阱之間存在PN結(jié)。為了保證PN結(jié)的有效隔離，N阱的電位必須高于P型襯底的電位，最簡(jiǎn)單最可靠的方法是將N阱接最正的電源，P型襯底接最負(fù)的電源。在版圖設(shè)計(jì)中，將設(shè)置襯底或阱連接的方式稱為襯底連接或阱連接。三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

襯底連接與阱連接設(shè)置阱連接的經(jīng)驗(yàn)法則是在滿足設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下，在阱的空閑區(qū)域盡可能多地設(shè)置阱連接。比較常用的設(shè)置阱連接的方式是用阱連接環(huán)繞MOS晶體管。設(shè)置襯底連接的經(jīng)驗(yàn)法則也是是在滿足設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下，在襯底的空閑區(qū)域盡可能多地設(shè)置襯底連接。

三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

天線效應(yīng)現(xiàn)代CMOS晶體管的柵極采用多晶硅材料制成，多晶硅是一種非常脆弱的材料，在硅片加工過程中容易損壞。在CMOS集成電路制造工藝中，利用反應(yīng)離子刻蝕（Reactiveionetch，RIE）工藝對(duì)多晶硅材料進(jìn)行刻蝕，得到多晶硅柵極。為了使反應(yīng)離子刻蝕順利進(jìn)行，加在RIE反應(yīng)室上的電壓有2000多伏，而反應(yīng)室基座上的電位為零伏，待加工的硅片就放置在基座上，因此硅片處于零電位。在反應(yīng)刻蝕進(jìn)行過程中，2000多伏的電壓施加在中間的多晶硅材料上，隨著多晶硅材料的不斷被刻蝕，在留下的多晶硅材料上會(huì)積累電荷，如果多晶硅的體積（主要是面積）比較大，就會(huì)積累大量的電荷，如果這些電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)超過柵極氧化層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致柵極氧化層損壞，MOS晶體管在制造過程中就已經(jīng)失效了。在反應(yīng)離子刻蝕過程中，多晶硅材料像天線一樣收集電荷，造成柵極氧化層擊穿MOS晶體管失效的現(xiàn)象被稱為天線效應(yīng)。三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

天線效應(yīng)三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

天線效應(yīng)天線效應(yīng)和多晶硅柵極的面積成正比，因此將大面積的多晶硅分割成多個(gè)小面積的多晶硅并用金屬進(jìn)行連接可以保護(hù)處于刻蝕過程中的多晶硅材料。

三.MOS管版圖設(shè)計(jì)技巧

天線效應(yīng)通過設(shè)置柵箝位二極管來(lái)避免天線效應(yīng)。該二極管將限制所產(chǎn)生的電壓幅度，提供對(duì)柵極的保護(hù)，稱為柵箝位二極管（NetAeaCheck，NAC）。并不是所有的柵極都需要柵箝位二極管來(lái)提供保護(hù)。如果一個(gè)柵極用第一層金屬直接連接到另一個(gè)MOS晶體管的源漏區(qū)，則另一個(gè)MOS晶體管源漏區(qū)和襯底之間的PN結(jié)將自動(dòng)成為柵箝位二極管。

四.棍棒圖

棍棒圖是介于電路和版圖之間的一種中間形式，棍棒圖主要用來(lái)幫助我們?cè)O(shè)計(jì)版圖的布局與布線。用一條水平的棒狀圖形表示P型擴(kuò)散區(qū)并使其位于圖形的頂部，用另一條棒狀圖形表示N型擴(kuò)散區(qū)并使其位于圖的底部，用簡(jiǎn)單的線條表示多晶硅和金屬連線，當(dāng)一條多晶硅與一個(gè)擴(kuò)散區(qū)交叉時(shí)就表示一個(gè)MOS晶體管，由于所有的結(jié)構(gòu)都可以用線條和棒狀圖形來(lái)表示，所以這樣的圖形就被稱為棍棒圖。在棍棒圖中，通常用不同顏色的線條來(lái)區(qū)分多晶硅和金屬。這種用顏色來(lái)區(qū)分多晶硅和金屬有時(shí)會(huì)給版圖設(shè)計(jì)者的繪圖帶來(lái)困難，這時(shí)人們可以使用混合棍棒圖。在混合棍棒圖中，用矩形表示P型或N型擴(kuò)散區(qū)（即有源區(qū)），用虛線表示多晶硅，用實(shí)線表示金屬，用“×”表示接觸孔。當(dāng)虛線與矩形交叉時(shí)表示一個(gè)MOS晶體管。為了區(qū)分PMOS晶體管和NMOS晶體管，需要額外設(shè)計(jì)兩條粗線，一條在最上方，表示電源Vdd，而另一條在最下方，表示地GND或負(fù)電源Vss。距離Vdd近的矩形區(qū)內(nèi)的MOS晶體管都為PMOS管，而距離GND近的矩形區(qū)域內(nèi)的MOS晶體管都為NMOS管。四.棍棒圖

CMOS反相器的電路圖、混合棍棒圖和版圖四.棍棒圖

四.棍棒圖

混合棍棒圖能夠給設(shè)計(jì)者更多器件的感覺，更加接近真實(shí)版圖，因此使用較多。棍棒圖或混合棍棒圖主要用來(lái)解決版圖布局問題，如果晶體管的數(shù)量比較多，使用混合棍棒圖進(jìn)行版圖布局設(shè)計(jì)可以節(jié)省大量時(shí)間。需要注意的是，在混合棍棒圖中不需要考慮MOS晶體管的寬長(zhǎng)比，也不需要考慮最小間距等設(shè)計(jì)規(guī)則，但在進(jìn)行版圖繪制時(shí)必須把所有的設(shè)計(jì)規(guī)則都考慮進(jìn)去。五.MOS管匹配規(guī)則

1.匹配MOS晶體管應(yīng)采用相同的形狀MOS晶體管可以有多種形狀，包括直線型、曲線形和環(huán)形。無(wú)論采用哪種形狀，匹配MOS晶體管的形狀必須相同。如果MOS晶體管的形狀不同，邊緣效應(yīng)以及加工誤差等將使MOS晶體管無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確匹配。

五.MOS管匹配規(guī)則

2.匹配MOS晶體管的取向應(yīng)一致由于在集成電路制造工藝中許多工藝步驟沿不同方向的特性是不一樣的，所以匹配MOS晶體管的取向應(yīng)一致。MOS晶體管的取向一致包括兩種情況，一是晶體管的柵極平行，二是晶體管的柵極在同一條直線上，如圖a）、（b）所示。圖8（c）所示為晶體管的取向不一致。（a）柵極平行（b）柵極在同一條直線上（c）柵極取向不一致五.MOS管匹配規(guī)則

3.匹配MOS晶體管應(yīng)盡量靠近放置硅片的不同區(qū)域會(huì)在材料的均勻性和氧化層厚度等方面存在差異，光刻工藝中掩模版的不同區(qū)域也可能存在細(xì)微的質(zhì)量差別，而且芯片工作時(shí)不同區(qū)域的溫度梯度和應(yīng)力梯度也不相同，因此匹配MOS晶體管應(yīng)盡量靠近放置，可以將這些差異造成的失配降到最低。五.MOS管匹配規(guī)則

4.匹配晶體管應(yīng)采用共質(zhì)心版圖結(jié)構(gòu)為了減小橫向擴(kuò)散效應(yīng)，現(xiàn)在MOS晶體管的源區(qū)和漏區(qū)基本上都利用離子注入工藝來(lái)制備。在離子注入工藝中，為了避免溝道效應(yīng)，通常采用傾斜注入的工作方式，這樣就會(huì)存在一種被稱之為“柵陰影”的現(xiàn)象。柵陰影造成多晶硅柵極兩側(cè)有源區(qū)的注入情況不同，在后續(xù)退火工藝完成后會(huì)造成源區(qū)和漏區(qū)邊緣產(chǎn)生輕微的不對(duì)稱。五.MOS管匹配規(guī)則

摻雜半導(dǎo)體材料不同區(qū)域的雜質(zhì)濃度可能會(huì)存在細(xì)微差別，這種現(xiàn)象被稱之為雜質(zhì)濃度梯度效應(yīng)。即使取向一致的兩個(gè)MOS晶體管，由于存在雜質(zhì)濃度梯度效應(yīng)，這兩個(gè)MOS晶體管源漏區(qū)的摻雜濃度也不相同，從而產(chǎn)生失配。五.MOS管匹配規(guī)則

叉指結(jié)構(gòu)：共質(zhì)心。優(yōu)點(diǎn)：即使存在柵陰影現(xiàn)象，每個(gè)晶體管的源區(qū)和漏區(qū)的摻雜情況也是非常接近的。同樣，假設(shè)存在從左至右的雜質(zhì)濃度梯度效應(yīng)，這種共質(zhì)心版圖可以保證兩個(gè)晶體管的源區(qū)（或漏區(qū)）的摻雜濃度非常接近。缺點(diǎn)：兩個(gè)MOS管的周圍環(huán)境不同。

五.MOS管匹配規(guī)則

叉指結(jié)構(gòu)：缺點(diǎn)：這種叉指形式雖然可以避免柵陰影效應(yīng)的影響，但是無(wú)法避免雜質(zhì)濃度梯度的影響。優(yōu)點(diǎn)：兩個(gè)MOS管的周圍環(huán)境一致。五.MOS管匹配規(guī)則

二維共質(zhì)心：五.MOS管匹配規(guī)則

二維共質(zhì)心：提供更高精度的匹配，但布線困難。五.MOS管匹配規(guī)則