1薄膜SIO MOS 器件阈值电压的解析模型分析

［"］ 明显降低 。
"
引
言
阈值电压 7 . 是 -+* 器件的一个极为重要的 频率 电学参数， 它的大小对 -+* 器件的直流特性、 特性、 开关特性等都会带来重要的影响。自 -+* 器件问世以来， 对阈值电压的定义、 影响因素及控 制方法的研究日臻成熟。 对于体硅高温 -+* 器件的研究结果发现， 阈 值电压随温度的升高而降低。具有负温度系数， I 7 . T I 8 一般为 U ! V U ) HW T X。对 *+, -+* 器件
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增大而明显增大。 由于上述 " & 随 # <、 ! =(、 ! $%> 、 ! $%# 和 $ 变化模拟 结果是在给定条件下得到的， 因而模拟所得到的 " & 值只满足所给定的条件。对于解析模型的建 立， 模型参数的选取及计算与实际存在的误差， 主 要影响模拟所得到的阈值电压值的大小， 模拟所得 到的变化规律与理论分析一致。从模拟结果不仅 可以看出 " & 随 # <、 ! =(、 ! $%> 、 ! $%# 和 $ 变化的规律， 而且还可以看出它们之间的相互影响。
& "& & 4*! $ $ & （& ’ & ） 4*+ "& 4*!
由以上解析式可见， 对于 "#$ %#" 器件， 与阈值电 压有关的结构参数主要有硅膜厚度 ! "&， 正栅氧化 层厚度 ! 4*+ ， 埋氧层厚度 ! 4*! ， 硅膜掺杂浓度 , @， 氧 化层固定电荷 ( 4*+， ! 及多晶硅掺杂浓度 , ? 和衬底 掺杂浓度 , A。其中氧化层固定电荷由工艺水平决 定， 一般选取 ( 4*+ D E F +B+B 2( G ! 、 ( 4*! D +B++ 2( G ! 。 此外， 对于高温 "#$ %#" 器件， 还必须考虑环境温
%&’()*+* ,-. %&’()/+0 $-12( -, /32 43.2*3-(1 5-(/’62 -, 47 !"# $"! 829+02*
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由文献 ［+， 可知， 背界面处于耗尽态时， 正栅 !］ 阈值电压 # /6+， ’79! $ # /6+， )22! % & "& & 4*! （ & 4*+ & "& ’ & 4*!）
（ # :! % # :!， （+） )22） 式中， # /6+， )22! 为背界面处于积累态时阈值电压 ( 4*+ # /6+， ’ )22! $ !(;+ % & 4*+ & ( "& （+ ’ "& ） （!） ! % & 4*+ !5 ! & 4*+ （正界面处于开启 状 # :!， )22 是背界面达到积累态 态） 所需的背栅偏压 ( 4*! & "& ( "& （<） # :!， ! % % )22 $ !(;! % & 4*! & 4*! !5 ! & 4*! （ <） 中， 式 （+）= !(;+ 是正栅功函数差， !(;! 是 背栅功函数差； & 4*+ 、 & 4*! 、 & "& 分别是单位面积正栅 氧化层电容、 背栅氧化层电容和硅膜耗尽层电容； 背栅和硅膜界面上单位面积 ( 4*+ 、 ( 4*! 分别是正栅、 等效界面电荷； # :! 是背栅偏压； ( "&、 ! "& 分别表示硅 膜耗尽层电荷和厚度。!5 是费米势。由文献 ［ <］ 可以得到这些参量的表达式如下 )* , ?・ , @ )* , A ， ， 3> 3> $% (;! $ ! "(;+ 万方数据 " + + ,@ -&
— —$% 世纪的硅集成电路技术， 科 > 考林基 D E* !"# 技术— 图耦合系数! 随 ! $%# 的变化 学出版社， >FF-
’()* - &+, 9+!7), $2 9$603, 9$,22(9(,78 ;: ! $%# 万方数据
（下转第 &% 页）
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份被选频回路滤除， 几乎可以忽略。 ・ 如果网络建立的振荡是非正弦的， 在一般情 况下， 控制支路会包含有不可忽略的多次谐波， 其 中非基波分量的变化， 会导致控制支路总电压 ! ! 的变化， 从而使受控支路的基波也发生变化， 例如 谐波会和 " 次谐波在受控支路 控制支路的 （ " " #） 产生差频而生成基波， 这是由非基波生成的基波， 而不是来自基波分部网络自身的反馈， 因此当非基 波成份发生变化时， 只按基波分部判断的稳定性结 论也随之变化， 可见只有基波分部的判断结果， 不 能代表总网络的稳定性。 ・ 对于通常的电子线路， 控制支路非单频的情 况， 无论控制特性是什么形状， 用幂级数展开包含 有多少项， 也无论网络中包含有多少个非线性元 件。如果只要判断网络的微变稳定性， 可以采用一 次近似的线性微变分析， 只取一次项忽略高次项的 影响； 线性化微分方程分析的结果， 可以分成两种 情况； 如果网络的奇点是鞍点型的， 即可判断微变 不稳定， 其在大范围也显然是不稳定的， 如自激多 谐振荡器， 不必采用基波分析法。如果奇点是非鞍 点型的， 并且要判断在大范围的稳定性， 可以用基 波分析法， 只取一次谐波忽略高次谐波的影响， 将 ） ， 用常量的最大 原来是变量的微变跨导 $（ # $% & $ $% 等效基波跨导 ’ %&， 代入， 使原来是非线性的简化 % 成线性的微分方程， 对于分析大范围的稳定性， 可 以得出足够准确的结果。基波分析法对于判定网 络是否出现寄生振荡具有特别重要的意义， 因为这 时只关心网络是否稳定， 模拟结果和分析
图+ ,&-. +
器件结构示意图
根据以上解析模型， 采用 %@HI@A 编程， 可以 计算得到 # H 随 , @、 ! "&、 ! 4*+ 、 ! 4*! 和 * 变化的三维分 布曲线。图 （ 和 （ J） 分别表示 ! 4*+ D <B >(、 ! )） ! 4*! D * D <BB K 和 LBB K 条件下 # H 随 <BB >( 和 EBB >(、 , @ 和 ! "& 变 化 的 三 维 分 布 图。图 中， ! "&： EB = +BB >(、 , @： + F +B+L = ! F +B+M 2( G < 。 从模 拟 结 果 可 见： （ +） #H 随 ,@ 的 减 小 而 降 低， 甚至从增强型变为耗尽型； （ !） # H 随 ! "& 的减小 而下降， 其变化率随 , @ 的增大而增大； （ <） #H 随 温度的升高而减小； （ C） ! 4*! 在 <BB >(、 EBB >( 范围 变化对 # H 的影响很小。 # H 随 ! 4*! 的增大而略有增 大。 对于上述模拟结果简单分析如下： , @ 的减小使 # H 降低主要是由于费米势 !5 下降所致。当 ! "&在 EB = +BB >( 范围， 硅膜处于全 耗尽状态， 随 ! "& 的减小， 耗尽层电荷减少， 从而使 这种影响当然是随着掺杂浓度 , @ 的增 # H 降低， 大而增加。 # H 随温度的升高而降低主要是由于本 征载流子浓度 - & 增大引起费米势 !5 下降所致。 至于 # H 随 ! 4*! 的变化， 主要是正背栅之间的耦合 作用造成。图 < 是耦合系数$ 随 ! 4*! 的变化的计算 结果， 在 ! 4*! N <BB >( 条件下， 因 !随 ! 4*! 变化很小， 而对 # H 的影响也很小。 图 C 是在 ! 4*! D EBB >(， ! 4*+ D EB >( 条件下， #H 随 , @、 与图 ! （ J） 相比 ! "& 和 * 变化的三维分布图， 显而易见 ! 4*+ 对 # H 的影响远大于 ! 4*! ， # H 随 ! 4*+ 的
结束语
在 =@A B@= 器件阈值电压的优化设计中， 关键
从以上模拟结果可以 是 # <、 ! =(、 ! $%> 和 ! $%# 的选取， 看出， 在 ! =(满足全耗尽条件下， 对阈值电压影响最 为显著的因素是 # < 和 ! $%> 的选取。阈电压将随 甚至从增强型变为耗 # < 和 ! $%> 减小而显著下降， 尽型。从高温应用考虑， 在保证击穿电压的前提 下， 适当提高 # < 可使泄漏电流减小， 在满足阈值 电压的要求和防止栅击穿条件下， 适当减小 ! $%> 使 对高温应用有利。 4 " 8+> C 4 $ 减小， 参 考 文 献