MOS微電子技術(shù)簡(jiǎn)介
MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管是金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的簡(jiǎn)稱，它通過(guò)改變外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制其導(dǎo)電能力。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管不僅具有雙極型三極管體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等特點(diǎn)。因而，在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。
與雙極型三極管不同，MOS晶體管是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種載流子，因此稱其為單極型器件。MOS晶體管可以分為增強(qiáng)型晶體管與耗盡型晶體管兩種。根據(jù)溝道摻雜不同，又可分為N溝道增強(qiáng)型晶體管、P溝道增強(qiáng)型晶體管、N溝道耗盡型晶體管和P溝道耗盡型晶體管四種。圖1展示了N溝道增強(qiáng)型和耗盡型兩種晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 N溝道增強(qiáng)型和耗盡型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖
圖1中顯示的G、D、S分別叫做MOS晶體管的柵極、漏極和源極。從圖中可以看出，增強(qiáng)型晶體管與耗盡型晶體管的區(qū)別在于，耗盡型晶體管存在原始導(dǎo)電溝道，而增強(qiáng)型晶體管沒(méi)有原始導(dǎo)電溝道。
對(duì)于增強(qiáng)型晶體管，當(dāng)UGS＝0時(shí)，漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的pn結(jié)，無(wú)論DDS的值大小如何都不會(huì)在D、S間形成電流iD，即iD=0；當(dāng)UGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電；當(dāng)UGS=T時(shí)，在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在UDs的作用下形成。，晶體管開(kāi)始導(dǎo)通；當(dāng)UGs＞UT時(shí)，溝道加厚，溝道電阻減少，在相同UDs的作用下，ID將進(jìn)一步增加。對(duì)于耗盡型晶體管，當(dāng)UGS＝0時(shí)，UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID，此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用UDSS表示；當(dāng)（UCS）0時(shí)，將使iD進(jìn)一步增加；當(dāng)已UGS＜0時(shí)，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對(duì)應(yīng)iD＝0的（UGs稱為夾斷電壓，用符號(hào)Up表示。由以上的分析可以看出，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管利用柵源電壓的大小，來(lái)改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。
將P溝道MOS晶體管與N溝道MOS晶體管同時(shí)運(yùn)用到一個(gè)集成電路中就構(gòu)成了CMOS集成電路。CMOS集成電路具有靜態(tài)功耗低、電源電壓范圍寬、輸出電壓幅度寬、速度快、密度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前微電子工業(yè)的主流技術(shù)。
CMOS集成電路用P溝道MOS管作為負(fù)載器件，N溝道MOS管作為驅(qū)動(dòng)器件，因此在同個(gè)襯底上同時(shí)制作P溝道MOS晶體管和N溝道MOS晶體管。在制作中，必須將一種MOS晶體管制作在襯底上，而將另一種MOS晶體管制作在比襯底濃度高的阱中。CMOS集成電路工藝根據(jù)阱的導(dǎo)電類型可以分為P阱工藝、N阱工藝和雙阱工藝。本節(jié)具體介紹目前較為流行的雙阱工藝的流程。圖2是雙阱工藝CMOS器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 雙阱工藝CMOS器件的結(jié)構(gòu)示意圖
