NMOS工藝條件和步驟及優缺點詳解

在MOS電路的發展過程中，發展最早、最快的是PMOS集成電路，PMOS電路的生產基本上是硅平面工藝，通常稱為MOS常規工藝，它具有工藝簡單，設備不復雜、易于控制等優點。但PMOS電路存在著速度太低的突出缺點，對發展速度高、性能好的MOS 大規模集成電路帶來很大困難。PMOS工藝。為了提高電路速度和性能，科學家們對MOS 工藝進行了一系列的革新。采用了一些新材料和工藝。例如采用具有高遷移率的半導體材料，發展了NMOS和GaAsNOS集成電路；為了減小柵源、柵漏電容，發展了柵自對準MOS工藝；在絕緣柵介質方面，采用了較之SiO2，性能更佳的Si3N4、Al2O3，等絕緣薄膜；器件的柵電極除了用大家熟知的鋁柵以外，又發展了硅粗、鋁柵；在源、漏的形成及調節器件閾值電壓大小、正負等方面，采用了離子注入技術。PMOS工藝。這樣就使MOS集成電路工藝大大超出了硅平面工藝的范圍，顯示了MOS工藝的新特點。本章主要介紹NNOS:CMOS工藝及這些工藝中采用的一些新工藝和新技術。

一、NMOS工藝

N溝道工藝是MOS電路較早就選擇工藝，因為理論上電子遷移率大得多，可以制成大跨導的MOS器件。NMOS工藝。但由于Si-SiO2界面處存在正電荷，往往容易造成N溝道耗盡型，而要制成N溝道增強型卻比較困難。因此，早期的發展速度不如PMOS電路，但終因它有突出的優點，隨著MOS技術的發展，目前速度較高的大規模 MOS集成電路中，NMOS已占重要的地位。

1、NMOS的優點

NMOS電路的優點很多，大致可歸納以下三點：

（1）開關速度高

MOS集成電路的開關速度，與器件充放電等效時間常數有關。若小，電路的速度就快，從第二章倒相器開關響應的討論中知道；

其中。因為電子的遷移率約為空穴遷移率的三倍，若其它參數相同，則應為的三倍，所以是的1/3，可見N溝道MOS器件對電容的充放電速度比P溝道MOS器件快，所以電路的開溝道MOS器件快，所以電路的開關速度高。

（2）閥值電壓低

由于SiO2中存在著正電荷，容易產生N溝道耗盡型，但可采取一定措施，使VT從負值向正值方向移動，以獲得較小的正VT值。NMOS工藝。所以N溝道增強型器件的閾值電壓必然是比較低的，從而可以在低電源下工作，一方面可以降低功耗，另一方面可直接與雙極型TTL電路兼容。

（3）有利提高集成度

由于電子遷移率高于空穴遷移率，若取，則性能相同的電路，N溝道器件可獲得較小的設計尺寸，從而使電路有較高的集成度，有利降低成本。

2、N溝道增強型器件的獲得方法

要制造N溝道增強型器件，必須創造一定條件，采用一定的方法來控制閾值電壓。NMOS工藝。下面討論實現N溝道增強型器件的條件與方法。

（1）用高濃度襯底制作N溝道器件

前面討論知道，要實現N溝道增強型器件，必須滿足：

經過移項，得到：

（6-1）

這是實現N溝道增強型器件的襯底摻雜電荷的下限。

為了獲得最低的表面態密度，我們采用〈100〉方向的P型Si單晶，控制在。

對于典型摻雜濃度，可以估算出功函數差與強反型表面勢之和為。

若

將上述數據代入（6-1）式，得：

根據，可算得：

，材料的電阻率必須小于4Ω·cm。

如果要得到閾值電壓的增強型器件，可根據VT表達式，算出：

可見，要實現N溝道增強型器件，采用高濃度的P型襯底是一個可行的方法。NMOS工藝。然而要使，取，即的P型Si，這樣高濃度的襯底材料，所對應的柵調制擊穿電壓只有10V，是比較低的。

（2）襯底偏置法

從第一章中知道，當源極與襯底之間加偏置電壓以后，可以使MOS器件產生一個附加閾值電壓。NMOS工藝。由附加閾值電壓表達式知道，影響有三個因素，即，和。因此，只要加一個較大的，就可使，并且還可以適當降低和，以提高和速度。

圖6-2表明N溝道器件有效和背面柵偏壓的關系。

曲線（A）表示襯底的摻雜濃度（合理的耐壓）、（時的起始值）的情況。

曲線（B）表示，其余條件與（A）相同。

曲線（A’）為預先加（其余條件與（A）相同），時的情況。實際是把曲線（A）向左平移1V，即得到（A’）。

如果起始的N溝道器件，施加的偏壓，有效的可達5V?？梢娛┘?img src="/userfiles/images/2020/11/25/2020112516405921.png" title="image.png" alt="image.png"/>對控制N溝道有明顯的作用。NMOS工藝。在實際電路中，為了獲得一個合理的，需要施加一個額外的電源，因此使用不如單一電源的方便。

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