詳解MOS管閾值電壓與溝長(cháng)和溝寬的關(guān)系及影響閾值電壓的因素-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-07-22
閾值電壓 （Threshold voltage）：通常將傳輸特性曲線(xiàn)中輸出電流隨輸入電壓改變而急劇變化轉折區的中點(diǎn)對應的輸入電壓稱(chēng)為閾值電壓。在描述不同的器件時(shí)具有不同的參數。如描述場(chǎng)發(fā)射的特性時(shí)，電流達到10mA時(shí)的電壓被稱(chēng)為閾值電壓。
關(guān)于 MOSFET 的 W 和 L 對其閾值電壓 Vth 的影響，實(shí)際在考慮工藝相關(guān)因素后都是比較復雜，但是也可以有一些簡(jiǎn)化的分析，這里主要還是分析當晶體管處在窄溝道和短溝道情況下，MOSFET 耗盡區的電荷的變化，從而分析其對晶體管的閾值電壓的作用。
Narrow channel 窄溝的分析
從上圖可以看到，決定MOSFET閾值電壓的耗盡層電荷，并不僅是在柵下區域的電荷 Qch；實(shí)際上在圖中耗盡區左右與表面相接處，還需要有額外的電荷 Qchw。
在晶體管的溝寬 W 較大時(shí)，Qchw 這一額外的電荷可以忽略；而當溝寬 W 較小時(shí)，Qchw 不能再忽略，使得等效的耗盡層電荷密度增加，MOS 管的閾值電壓升高，即如上面圖所示。
實(shí)際上，窄溝導致的閾值電壓的變化也可以理解為在溝寬 W 方向的邊緣電場(chǎng)的電力線(xiàn)出現在溝道以外，因此需要更多的柵電壓來(lái)維持溝道開(kāi)啟。因此窄溝的效應實(shí)際上與具體的集成電路工藝，例如器件采用的隔離方式和隔離區域的摻雜濃度等關(guān)系很大。
對于 STI （shallow trench isolaTIon） 隔離方式的 MOSFET， 由于 STI wall 的作用，溝寬 W 方向的邊緣電場(chǎng)的電力線(xiàn)實(shí)際上是在溝道方向集中，因此會(huì )出現所謂的 inverse narrow-width effect，也即是隨著(zhù)溝寬 W 的減小，閾值電壓隨之減小。
Short channel 短溝的分析
如上面左圖所示， 晶體管中耗盡層電荷包括從源到漏的所有電荷。 但是， 實(shí)際上在靠近源和漏端的部分電荷 Qchl ， 不再直接受控于柵， 而是由源和漏來(lái)控制。 因此 Qchl 是不應該包含在閾值電壓的計算中的。
類(lèi)似之前的分析， 當溝長(cháng) L 較小時(shí)， 需要考慮 Qchl 影響， 使等效的耗盡層電荷密度減小， MOS 管的閾值電壓減小，即如上面右圖所示。
在具體工藝中， 由于存在溝道的非均勻摻雜等現象，實(shí)際上會(huì )使得有 reverse short-channel effect 的出現，即隨著(zhù) MOSFET 的溝長(cháng) L 的減小，閾值電壓會(huì )先小幅升高，之后 L 進(jìn)一步減小時(shí)，閾值電壓下降，并且此時(shí)的閾值電壓對溝長(cháng)的變化更為敏感。
一個(gè)特定的晶體管的閾值電壓和很多因素有關(guān)，包括backgate的摻雜，電介質(zhì)的厚度，柵極材質(zhì)和電介質(zhì)中的過(guò)剩電荷。
1、背柵的摻雜
背柵（backgate）的摻雜是決定閾值電壓的主要因素。如果背柵摻雜
越重，它就越難反轉。要反轉就要更強的電場(chǎng)，閾值電壓就上升了。MOS管的背柵摻雜能通過(guò)在介電層表面下的稍微的implant來(lái)調整。
2、電介質(zhì)
電介質(zhì)在決定閾值電壓方面也起了重要作用。厚電介質(zhì)由于比較厚而削弱了電場(chǎng)。所以厚電介質(zhì)使閾值電壓上升，而薄電介質(zhì)使閾值電壓下降。
3、柵極的物質(zhì)成分
柵極（gate）的物質(zhì)成分對閾值電壓也有所影響。如上所述，當GATE和BACKGATE短接時(shí)，電場(chǎng)就施加在gate oxide上。
4、介電層與柵極界面上過(guò)剩的電荷
GATE OXIDE或氧化物和硅表面之間界面上過(guò)剩的電荷也可能影響閾值電壓。這些電荷中可能有離子化的雜質(zhì)原子，捕獲的載流子，或結構缺陷。電介質(zhì)或它表面捕獲的電荷會(huì )影響電場(chǎng)并進(jìn)一步影響閾值電壓。如果被捕獲的電子隨著(zhù)時(shí)間，溫度或偏置電壓而變化，那么閾值電壓也會(huì )跟著(zhù)變化。
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