第07章 MOS晶体管及其版图

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1、第四章MOS晶体管及其版图学习指导学习目标与要求1．了解集成电路中有源器件MOS晶体管的结构2．了解集成电路中有源器件MOS晶体管版图定义、内涵及实质，掌握集成电路中有源器件MOS晶体管版图的特点3．掌握集成电路中有源器件MOS晶体管的特性、不同类型MOS晶体管版图设计及MOS晶体管版图的失配及匹配的设计技巧4．基本掌握集成电路中有源器件MOS晶体管版图设计方法学习重点1．集成电路中有源器件MOS晶体管的特性2．不同类型MOS晶体管版图设计及MOS晶体管版图的失配及匹配的设计技巧学习难点1．MOS晶体管

2、版图设计技巧及设计方法2．MOS晶体管版图的失配及匹配的设计方法及设计准则第一节NMOS晶体管及版图一、NMOS晶体管概述1.NMOS晶体管的简化三端电路模型：NMOS晶体管在栅极和晶体管的其余部分之间存在绝缘层，没有直流电流从栅极流过。电容CGS和CGD分别代表由栅介质产生的栅源电容和栅漏电容。电容符号上绘制的斜线表示电容值的大小与偏置有关。压控电流源I1为栅氧化层下从漏极经过沟道流向源极的电流。漏极电压ID的大小取决于栅源电压VGS和栅漏电压VDS。2.2种类型的NMOS晶体管:(A)增强型NMOS

3、;(B)耗尽型NMOS(A)(B)3.器件跨导k决定了在给定Vgst的情况下流过MOS管的漏极电流大小，可表明一个MOS2管的尺寸。器件跨导的单位是A/V2或者μA/V。kk'(/)WLnrk’是一个常数，叫做工艺跨导，为载流子的有效迁移率，k'。tox4.阈值电压Vt是指当背栅与源极连接在一起时使能栅介质下面恰好产生沟道所需要的栅源电压。MOS管的阈值电压与以下因素有关：栅极电材料，背栅掺杂，栅氧化层厚度，表面态电荷密度，氧化层中的电荷密度（固定点荷和可用电荷）。二、NMOS晶体管的版图1

4、.自对准硅栅NMOS晶体管的背栅由生长在P+衬底上的P型外延层构成。相邻晶体管之间的区域叫做场区。版图剖面图2.一个简单的N阱CMOS工艺工需要7块掩膜：N阱，沟槽，多晶硅，NSD，PSD,接触孔，金属，以及保护层。其中下图（A）利用NSD,PSD和沟槽掩膜层编码；（B）利用NMoat和PMoat编码层。第二节PMOS晶体管及版图一、PMOS晶体管概述1.PMOS晶体管的方程：当0≥VDS>Vgst时（线性区)，VIVk(DS)VDgstDS2当VDS≤Vgst时（饱和区），k2IVDgst2

5、2.两种类型的PMOS晶体管（A）增强型PMOS；（B）耗尽型PMOS(A)(B)3.3)MOS管的器件跨导会随着温度的升高而降低。1500C时器件的跨导值约等于250C时的一半。二、CMOS闩锁效应当源/漏扩散区相对背栅正偏时，会向邻近器件的反偏结注入少子。相邻的NMOS和PMOS晶体管相互交换少子会引发CMOS闩锁效应。少子保护环可以防止闩锁效应，但是在CMOS工艺中不易实现。第三节N阱和P阱工艺1.使用P型外延层，必须加入深的轻掺杂N型扩散区用于制作PMOS晶体管(图A)；使用N型外延层，必须加入

6、深的轻掺杂P型扩散区用于制作NMOS晶体管(图B)；这种深扩散区通常称为阱，N型的成为N阱，P型的成为P阱。2.有些工艺既包括N阱也包括P阱。在双阱工艺中，NMOS做在P阱中，而PMOS做在N阱中。3.与双阱工艺相比，单阱工艺简单且成本低，但亚微米工艺通常需要两种阱。4.由于某些原因，N阱工艺要优于P阱工艺。N阱工艺的衬底可以与公共地相相连，但P阱工艺的衬底必须与电源的最高位相连。P阱工艺不适用于多电源系统。第四节特殊结构MOS晶体管版图一、自然晶体管的版图采用NatVT的自然晶体管版图：1.理想情况下

7、晶体管的阈值电压应该在0.6～0.8V之间。天然的或固有阈值电压取决于栅和背的掺杂及栅氧化层的厚度。自然NMOS的本征阈值通常恰好低于0.6V,而自然PMOS本征阈值的幅度恰好大于0.8V。2.通过对沟道的注入可以改变MOS晶体管的阈值电压。P型注入使阈值电压正向移动，N型注入使阈值电压负向移动。3.假如初始掺杂浓度选得合适的话，单独使用硼注入就可以调整两种类型晶体管的阈值电压。这种硼注入成为阈值调整注入，或者简称为阈值调整。进行了这种注入的晶体管称为调整晶体管，而那些没有进行注入的晶体管称为天然的或自

8、然的晶体管。4.许多工艺都提供自然晶体管作为一个工艺选项，该选项需要一层单独的掩膜，正确的名称是阈值调整注入掩膜，但是更做的被称为固有Vt掩膜。与其相关的编码层也有多个名称，本书中称为NatVT。5.NatVT的图形应该略微与沟道区交叠以防止对版误差和横向扩散。二、按比例缩小的晶体管的版图1.按比例缩小定律分为两大类，在这两类中都假定宽度和长度要乘以一个比例因子S。2.随着晶体管尺寸越来越小，避免热载流子的产生和穿通击穿变得十分困难。3.晶