MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属的原因.docx

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1、MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属的原因MOSFET的栅极材料理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择电性良好的导体，多晶硅在经过重掺杂 之后的导电性可以用在MOSFET的栅极上，但是并非完美的选择。MOSFET使 用多晶硅作为的理由如下：1. MOSFET的临界电压(threshold voltage)主要由栅极与通道材料的功函数 (work function )之间的差异来决定，而因为多晶硅本质上是半导体，所以可 以藉由掺杂不同极性的杂质来改变其功函数。更重要的是，因为多晶硅和底下作 为通道的硅之间能隙(bandgap )相同，因此在降低PMOS或是NMOS的临 界电压时可以藉由直接调整多

2、晶硅的功函数来达成需求。反过来说，金属材料的 功函数并不像半导体那么易于改变，如此一来要降低MOSFET的临界电压就变 得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压，将需要两 种不同的金属分别做其栅极材料，对于制程又是一个很大的变量。2. 硅一二氧化硅接面经过多年的研究，已经证实这两种材料之间的缺陷(defect) 是相对而言比较少的。反之，金属一绝缘体接面的缺陷多，容易在两者之间形成 很多表面能阶，大为影响元件的特性。3. 多晶硅的融点比大多数的金属高，而在现代的半导体制程中习惯在高温下沉 积栅极材料以增进元件效能。金属的融点低将会影响制程所能使用的温度上限。不过多晶硅虽然在

3、过去二十年是制造MOSFET栅极的标准，但也有若干缺点使 得未来仍然有部份MOSFET可能使用金属栅极，这些缺点如下：1. 多晶硅导电性不如金属，限制了讯号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式 改善其导电性但成效仍然有限。有些融点比较高的金属材料如钨(Tungsten )、 钛(Titanium )、钻(Cobalt)或是镍(Nickel)被用来和多晶硅制成合金。 这类混合材料通常称为金属硅化物(silicide )。加上了金属硅化物的多晶硅栅 极有著比较好的导电特性，而且又能够耐受高温制程。此外因为金属硅化物的位 置是在栅极表面，离通道区较远，所以也不会对MOSFET的临界电压造成太大 影响。

4、在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为自我对准金属硅化物制程”(Self-Aligned Silicide )，通常简称 salicide 制程。2. 当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时，例如现在的制 程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度，一种过去没有发现的现象也随之产生， 这种现象称为“多晶硅耗尽”。当MOSFET的反转层形成时，有多晶硅耗尽现 象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处会出现一个耗尽昼depletion layer), 影响MOSFET导通的特性。要解决这种问题，金属栅极是最好的方案。目前可 行的材料包括钽(Tantalum )、钨、氮化钽(Tanta

5、lum Nitride )，或是氮化 钛(Titalium Nitride)。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一 起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化，称为FUSI(FUlly-SIlicide polysilicon gate )制程。MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（ Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性

6、不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS 等。结构图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作 衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层，最后在N 区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极: G（栅极）、S （源极）及D （漏极），如图所示。从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一 般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。图1是常见的N沟道增强型M

7、OSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如 提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成 所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。虽然有不同的结构，但其工作原理是相同的，这里 就不一一介绍工作原理要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加 正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图2所示。若先不接VGS （即VGS=0），在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之 间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。 此时可以将栅极与衬底看作电容

8、器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上 VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电 荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子（空穴）的极性相反，所以称为“反型层”， 这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出 来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电 流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这 个临界电压称为开启电压（或称阈值电压、门限电压），用符号VT表示（一般规定在ID=10uA 时的VGS作为VT）。当VGS继续增大，负

9、电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随 之增加，并且呈较好线性关系，如图3所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可 以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。ICE01牯弗恃杼1稿出胃性tM 出将卷由于这种结构在VGS=0时，ID=0，称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET， 在VGS=0时也有一定的ID （称为IDSS），这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图4 所示，它的转移特性如图5所示。VP为夹断电压（ID=0）。耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的 界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一

10、 N型硅薄层而形成一 导电沟道，所以在VGS=0时，有VDS作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可 以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变ID的大小VP为ID=0时的-VGS， 称为夹断电压。+.4A Fg军MQ6FFT佗门构如用. T : B： k I： 概述从名字表面的角度来看 MOSFET的命名，事实上会让人得到错误的印象。因为 MOSFET里代表“metal”的第一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期 MOSFET的栅极(gate electrode)使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，随后 MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属。在处理

11、器中，多晶硅栅已经不是主流技术，从英特 尔采用45纳米线宽的P1266处理器开始，栅极开始重新使用金属。MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET)，而IGFET的栅极绝缘层有可能是其他物质而非MOSFET使用的氧化 层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管元件时比较喜欢用IGFET，但是这些IGFET 多半指的是MOSFEToMOSFET里的氧化层位于其通道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅 有数十至数百埃(Å)不等，通常材料是二氧化硅(silicon dioxide,Si

12、O2)，不过有些 新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride,SiON)做为氧化层之用。今日半导体元件的材料通常以硅(silicon)为首选，但是也有些半导体公司发展出使 用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如旧M使用硅与锗(germanium)的混合物所 发展的硅锗制程(silicon-germanium process,SiGe process)。而可惜的是很多拥有良好电 性的半导体材料，如神化稼(gallium arsenide,GaAs)，因为无法在表面长出品质够好的氧 化层，所以无法用来制造MOSFET元件。当一个够大的电位差施于MOSFET的栅极与源

13、极.(source)之间时，电场会在氧化房 下方的半导体表面形成感应电荷，而这时所谓的“反型层” (inversion channel)就会形成。 通道的极性与其漏极(drain)与源极相同，假设漏极和源极是N型，那么通道也会是N型。 通道形成后，MOSFET即可让电流通过，而依据施于栅极的电压值不同，可由MOSFET 的通道流过的电流大小亦会受其控制而改变。电路符号MOSFET的核心：金属一氧化层一半导体电容金属一氧化层一半导体结构MOSFET在结构上以一个金属一氧化层一半导体的电容 为核心（如前所述，今日的MOSFET多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料），氧化层的 材料多半是二氧化硅，其下

14、是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。这样子的结构 正好等于一个电容器（capacitor），氧化层扮演电容器中介电质（dielectric material）的角 色，而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数dielectric constant）来决定。栅极多 晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点。当一个电压施加在MOS电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟著改变。考虑一个P 型的半导体（空穴浓度为NA）形成的MOS电容，当一个正的电压VGB施加在栅极与基极 端（如图）时，空穴的浓度会减少，电子的浓度会增加。当VGB够强时，接近栅极端的电 子浓度会超过空穴。这个在P型半导体中，电

15、子浓度（带负电荷）超过空穴（带正电荷） 浓度的区域，便是所谓的反转层（inversion layer）。MOS电容的特性决定了 MOSFET的操作特性，但是一个完整的MOSFET结构还需 要一个提供多数载流子（majority carrier）的源极以及接受这些多数载流子的漏极。常用于MOSFET的电路符号有很多种变化，最常见的设计是以一条直线代表通道，两 条和通道垂直的线代表源极与漏极，左方和通道平行而且较短的线代表栅极，如下图所示。 有时也会将代表通道的直线以破折线代替，以区分增强型MOSFET（enhancement mode MOSFET）或是耗尽型 MOSFET（depletion

16、mode MOSFET）另外又分为 NMOSFET 和 PMOSFET两种类型，电路符号如图所示（箭头的方向不同）。gj i.3fcT由于集成电路芯片上的MOSFET为四端元件，所以除了栅极、源极、漏极外，尚有一 基极（Bulk或是Body）。MOSFET电路符号中，从通道往右延伸的箭号方向则可表示此元 件为N型或是P型的MOSFETo箭头方向永远从P端指向N端，所以箭头从通道指向基 极端的为P型的MOSFET，或简称PMOS （代表此元件的通道为P型）；反之若箭头从基 极指向通道，则代表基极为P型，而通道为N型，此元件为N型的MOSFET，简称NMOS。 在一般分布式MOSFET元件（dis

17、crete device）中，通常把基极和源极接在一起，故分布 式MOSFET通常为三端元件。而在集成电路中的 MOSFET通常因为使用同一个基极 （common bulk），所以不标示出基极的极性，而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别 （这是国外符号，国标符号见图）。蒙理% 呷婶遇做坤一这样，MOSFET就有了 4钟类型：P沟道增强型，P沟道耗尽型，N沟道增强型，N 沟道耗尽型，它们的电路符号和应用特性曲线如下图所示。湛i.1Jh5= S- Sr f-T一2:4诚操作原理结构WWE一个NMOS晶体管的立体截面图左图是一个N型MOSFET（以下简称NMOS）的截 面图。如前所述，MOSFE

18、T的核心是位于中央的MOS电容，而左右两侧则是它的源极与 漏极。源极与漏极的特性必须同为N型（即NMOS）或是同为P型（即PMOS）。右图NMOS 的源极与漏极上标示的“N+”代表著两个意义：N代表掺杂（doped）在源极与漏极区域的 杂质极性为N；（2y+代表这个区域为高掺杂浓度区域（heavily doped region），也就是此区 的电子浓度远高于其他区域。在源极与漏极之间被一个极性相反的区域隔开，也就是所谓的 基极（或称基体）区域。如果是NMOS，那么其基体区的掺杂就是P型。反之对PMOS而 言，基体应该是N型，而源极与漏极则为P型（而且是重（读作zhong）掺杂的P+）。基 体的

19、掺杂浓度不需要如源极或漏极那么高，故在右图中没有+”。对这个NMOS而言，真正用来作为通道、让载流子通过的只有MOS电容正下方半导 体的表面区域。当一个正电压施加在栅极上，带负电的电子就会被吸引至表面，形成通道， 让N型半导体的多数载流子一电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除，或是放上 一个负电压，那么通道就无法形成，载流子也无法在源极与漏极之间流动。假设操作的对象换成PMOS，那么源极与漏极为P型、基体则是N型。在PMOS的 栅极上施加负电压，则半导体上的空穴会被吸引到表面形成通道，半导体的多数载流子一空 穴则可以从源极流向漏极。假设这个负电压被移除，或是加上正电压，那么通道无法形成，

20、 一样无法让载流子在源极和漏极间流动。特别要说明的是，源极在MOSFET里的意思是“提供多数载流子的来源”。对NMOS 而言，多数载流子是电子；对PMOS而言，多数载流子是空穴。相对的，漏极就是接受多 数载流子的端点。主要参数场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下 主要参数：1、IDSS饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时 的漏源电流。2、UP夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电 压。3、UT开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。4、gM跨导。是表示栅源电压UGS对漏极

21、电流ID的控制能力，即漏极电流ID变 化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。5、BUDS漏源击穿电压。是指栅源电压UGS 一定时，场效应管正常工作所能承受的 最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。6、PDSM最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的 最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM最大漏源电流。是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允 许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM。型号命名中国命名法有两种命名方法。场效应管通常有下列

22、两种命名方法。第一种命名方法是使用“中国半导体器件型号命名法”的第3、第4和第5部分来命名， 其中的第3部分用字母CS表示场效应管，第4部分用阿拉伯数字表示器件序号，第5部 分用汉语拼音字母表示规格号。例如CS2B、CS14A、CS45G等。第二种命名方法与双极型三极管相同，第一位用数字代表电极数；第二位用字母代表 极性（其中D是N沟道，C是P沟道）；第三位用字母代表类型（其中J代表结型场效应 管，O代表绝缘栅场效应管）。例如，3DJ6D是N沟道结型场效应三极管，3D06C是N沟 道绝缘栅型场效应三极管。日本命名法日本生产的半导体分立器件，由五至七部分组成。通常只用到前五个部分，其各部分 的符

23、号意义如下：第一部分：用数字表示器件有效电极数目或类型。-光电（即光敏）二极管三极管及上 述器件的组合管、1-二极管、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或 具有三个pn结的其他器件、-依此类推。第二部分：日本电子工业协会JEIA注册标志。S-表示已在日本电子工业协会JEIA注 册登记的半导体分立器件。第三部分：用字母表示器件使用材料极性和类型。A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、 C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控硅、G-N控制极可控硅、H-N基极单 结晶体管、J-P沟道场效应管、K-N沟道场效应管、M-双向可控硅。第四部分:用数字表示在日本电子工

24、业协会JEIA登记的顺序号。两位以上的整数-从“11” 开始，表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号；不同公司的性能相同的器件可以使用 同一顺序号；数字越大，越是近期产品。第五部分：用字母表示同一型号的改进型产品标志。A、B、C、D、E、F表示这一器 件是原型号产品的改进产品。如 2SK134 为 N 沟道 MOSFET，2SJ49 为 P 沟道 MOSFET。应用优势1、场效应晶体管是电压控制元件，而双极结型晶体管是电流控制元件。在只允许从取 较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条 件下，应选用双极晶体管。2、有些场效应管的源极和漏极可以互换使用

25、，栅压也可正可负，灵活性比双极晶体管 好。3、场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而双极结型晶体管是即 有多数载流子，也利用少数载流子导电。因此被称之为双极型器件。4、场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地 把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。MOSFET在1960年由贝尔实验室(Bell Lab.)的D. Kahng和Martin Atalla首次实 作成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱(William Shockley)等人发明的双载流子 结型晶体管(Bipolar Junction Tr

26、ansistor,BJT)截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积 较小、高整合度的优势，在大型集成电路(Large-Scale Integrated Circuits,LSI)或是超大 型集成电路(Very Large-Scale Integrated Circuits,VLSI)的领域里，重要性远超过BJT。由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数 位信号处理的场合上，也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用MOSFET来实现，以 下分别介绍这些应用。数字电路数字科技的进步，如微处理器运算效能不断提升，带给深入研发新一代MOSFET更多 的动力，这也使得

27、MOSFET本身的操作速度越来越快，几乎成为各种半导体主动元件中最 快的一种。MOSFET在数字信号处理上最主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明，这种结 构最大的好处是理论上不会有静态的功率损耗，只有在逻辑门(logic gate)的切换动作时 才有电流通过。CMOS逻辑门最基本的成员是CMOS反相器(inverter)，而所有CMOS 逻辑门的基本操作都如同反相器一样，在逻辑转换的瞬间同一时间内必定只有一种晶体管 (NMOS或是PMOS)处在导通的状态下，另一种必定是截止状态，这使得从电源端到接 地端不会有直接导通的路径，大量节省了电流或功率的消耗，也降低了集成电路的发热量。MOSFET在数

28、字电路上应用的另外一大优势是对直流(DC)信号而言，MOSFET的 栅极端阻抗为无限大(等效于开路)，也就是理论上不会有电流从MOSFET的栅极端流向 电路里的接地点，而是完全由电压控制栅极的形式。这让MOSFET和他们最主要的竞争对 手BJT相较之下更为省电，而且也更易于驱动。在CMOS逻辑电路里，除了负责驱动芯片 外负载(off-chip load)的驱动器(driver)夕卜，每一级的逻辑门都只要面对同样是MOSFET 的栅极，如此一来较不需考虑逻辑门本身的驱动力。相较之下，BJT的逻辑电路(例如最常 见的TTL)就没有这些优势。MOSFET的栅极输入电阻无限大对于电路设计工程师而言亦

29、有其他优点，例如较不需考虑逻辑门输出端的负载效应(loading effect)。模拟电路有一段时间，MOSFET并非模拟电路设计工程师的首选，因为模拟电路设计重视的性 能参数，如晶体管的转导(transconductance)或是电流的驱动力上，MOSFET不如BJT 来得适合模拟电路的需求。但是随著MOSFET技术的不断演进，今日的CMOS技术也已 经可以符合很多模拟电路的规格需求。再加上MOSFET因为结构的关系，没有BJT的一些 致命缺点，如热破坏(thermal runaway)。另外，MOSFET在线性区的压控电阻特性亦可 在集成电路里用来取代传统的多晶硅电阻(poly resis

30、tor)，或是MOS电容本身可以用来取 代常用的多晶硅一绝缘体一多晶硅电容(PIP capacitor)，甚至在适当的电路控制下可以表 现出电感(inductor)的特性，这些好处都是BJT很难提供的。也就是说，MOSFET除了 扮演原本晶体管的角色外，也可以用来作为模拟电路中大量使用的 被动元件(passive device)o这样的优点让采用MOSFET实现模拟电路不但可以满足规格上的需求，还可以 有效缩小芯片的面积，降低生产成本。随著半导体制造技术的进步，对于整合更多功能至单一芯片的需求也跟著大幅提升， 此时用MOSFET设计模拟电路的另外一个优点也随之浮现。为了减少在印刷电路板 (Pr

31、inted Circuit Board,PCB)上使用的集成电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积， 很多原本独立的类比芯片与数位芯片被整合至同一个芯片内。MOSFET原本在数位集成电 路上就有很大的竞争优势，在类比集成电路上也大量采用MOSFET之后，把这两种不同功 能的电路整合起来的困难度也显著的下降。另外像是某些混合信号电路(Mixed-signalcircuits)，如类比/数位转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，也得以利用 MOSFET 技术设计出效能更好的产品。还有一种整合MOSFET与BJT各自优点的制程技术：BiCMOS(Bipolar-C

32、MOS)也 越来越受欢迎。BJT元件在驱动大电流的能力上仍然比一般的CMOS优异，在可靠度方面 也有一些优势，例如不容易被静电放电”(ESD)破坏。所以很多同时需要复噪声号处理以 及强大电流驱动能力的集成电路产品会使用BiCMOS技术来制作。尺寸缩放过去数十年来，MOSFET的尺寸不断地变小。早期的集成电路MOSFET制程里，通 道长度约在几个微米(micrometer)的等级。但是到了今日的集成电路制程，这个参数已经 缩小了几十倍甚至超过一百倍。2006年初，Intel开始以65纳米(nanometer)的技术来制 造新一代的微处理器，实际的元件通道长度可能比这个数字还小一些。至 90年代末

33、， MOSFET尺寸不断缩小，让集成电路的效能大大提升，而从历史的角度来看，这些技术上 的突破和半导体制程的进步有著密不可分的关系。为何要把MOSFET的尺寸缩小基于以下几个理由，我们希望MOSFET的尺寸能越小越好。第一，越小的MOSFET 象征其通道长度减少，让通道的等效电阻也减少，可以让更多电流通过。虽然通道宽度也可 能跟著变小而让通道等效电阻变大，但是如果能降低单位电阻的大小，那么这个问题就可以 解决。其次，MOSFET的尺寸变小意味著栅极面积减少，如此可以降低等效的栅极电容。 此外，越小的栅极通常会有更薄的栅极氧化层，这可以让前面提到的通道单位电阻值降低。 不过这样的改变同时会让栅极

34、电容反而变得较大，但是和减少的通道电阻相比，获得的好处 仍然多过坏处，而MOSFET在尺寸缩小后的切换速度也会因为上面两个因素加总而变快。 第三个理由是MOSFET的面积越小，制造芯片的成本就可以降低，在同样的封装里可以装 下更高密度的芯片。一片集成电路制程使用的晶圆尺寸是固定的，所以如果芯片面积越小， 同样大小的晶圆就可以产出更多的芯片，于是成本就变得更低了。虽然MOSFET尺寸缩小可以带来很多好处，但同时也有很多负面效应伴随而来。MOSFET的尺寸缩小后出现的困难把MOSFET的尺寸缩小到一微米以下对于半导体制程而言是个挑战，不过新挑战多半 来自尺寸越来越小的MOSFET元件所带来过去不曾

35、出现的物理效应。次临限传导由于MOSFET栅极氧化层的厚度也不断减少，所以栅极电压的上限也随之变少，以免 过大的电压造成栅极氧化层崩溃(breakdown)。为了维持同样的性能，MOSFET的临界电 压也必须降低，但是这也造成了 MOSFET越来越难以完全关闭。也就是说，足以造成 MOSFET通道区发生弱反转的栅极电压会比从前更低，于是所谓的次临限电流 (subthreshold current)造成的问题会比过去更严重，特别是今日的集成电路芯片所含有 的晶体管数量剧增，在某些VLSI的芯片，次临限传导造成的功率消耗竟然占了总功率消耗 的一半以上。不过反过来说，也有些电路设计会因为MOSFET

36、的次临限传导得到好处，例如需要较 高的转导/电流转换比(transconductance-to-current ratio)的电路里，利用次临限传导的 MOSFET来达成目的的设计也颇为常见。芯片内部连接导线的寄生电容效应传统上，CMOS逻辑门的切换速度与其元件的栅极电容有关。但是当栅极电容随著 MOSFET尺寸变小而减少，同样大小的芯片上可容纳更多晶体管时，连接这些晶体管的金 属导线间产生的寄生电容效应就开始主宰逻辑门的切换速度。如何减少这些寄生电容，成了 芯片效率能否向上突破的关键之一。芯片发热量增加当芯片上的晶体管数量大幅增加后，有一个无法避免的问题也跟著发生了，那就是芯 片的发热量也大

37、幅增加。一般的集成电路元件在高温下操作可能会导致切换速度受到影响， 或是导致可靠度与寿命的问题。在一些发热量非常高的集成电路芯片如微处理器，需要使用 外加的散热系统来缓和这个问题。在功率晶体管(Power MOSFET)的领域里，通道电阻常常会因为温度升高而跟著增 加，这样也使得在元件中pn-接面(pn-junction)导致的功率损耗增加。假设外置的散热系 统无法让功率晶体管的温度保持在够低的水平，很有可能让这些功率晶体管遭到热破坏(thermal runaway)的命运。栅极氧化层漏电流增加栅极氧化层随著MOSFET尺寸变小而越来越薄，主流的半导体制程中，甚至已经做出 厚度仅有1.2纳米的

38、栅极氧化层，大约等于5个原子叠在一起的厚度而已。在这种尺度下， 所有的物理现象都在量子力学所规范的世界内，例如电子的穿隧效应(tunneling effect)。 因为穿隧效应，有些电子有机会越过氧化层所形成的位能障壁(potential barrier)而产生漏 电流，这也是今日集成电路芯片功耗的来源之一。为了解决这个问题，有一些介电常数比二氧化硅更高的物质被用在栅极氧化层中。例 如铪(Hafnium)和锆(Zirconium)的金属氧化物(二氧化铪、二氧化锆)等高介电常数 的物质均能有效降低栅极漏电流。栅极氧化层的介电常数增加后，栅极的厚度便能增加而维 持一样的电容大小。而较厚的栅极氧化层

39、又可以降低电子透过穿隧效应穿过氧化层的机率， 进而降低漏电流。不过利用新材料制作的栅极氧化层也必须考虑其位能障壁的高度，因为这 些新材料的传导带(conduction band)和价带(valence band)和半导体的传导带与价带 的差距比二氧化硅小(二氧化硅的传导带和硅之间的高度差约为8ev)，所以仍然有可能导 致栅极漏电流出现。制程变异更难掌控现代的半导体制程工序复杂而繁多，任何一道制程都有可能造成集成电路芯片上的元 件产生些微变异。当MOSFET等元件越做越小，这些变异所占的比例就可能大幅提升，进 而影响电路设计者所预期的效能，这样的变异让电路设计者的工作变得更为困难。MOSFET的

40、栅极材料理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择电性良好的导体，多晶硅在经过重(读作zhong) 掺杂之后的导电性可以用在MOSFET的栅极上，但是并非完美的选择。MOSFET使用多 晶硅作为的理由如下：1. MOSFET的临界电压(threshold voltage)主要由栅极与通道材料的功函数(work function)之间的差异来决定，而因为多晶硅本质上是半导体，所以可以藉由掺杂不同极性 的杂质来改变其功函数。更重要的是，因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙(bandgap) 相同，因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时可以藉由直接调整多晶硅的功函数来达 成需求。反过来说，金属材料的

41、功函数并不像半导体那么易于改变，如此一来要降低 MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电 压，将需要两种不同的金属分别做其栅极材料，对于制程又是一个很大的变量。2. 硅一二氧化硅接面经过多年的研究，已经证实这两种材料之间的缺陷(defect)是 相对而言比较少的。反之，金属一绝缘体接面的缺陷多，容易在两者之间形成很多表面能阶， 大为影响元件的特性。3. 多晶硅的融点比大多数的金属高，而在现代的半导体制程中习惯在高温下沉积栅极 材料以增进元件效能。金属的融点低，将会影响制程所能使用的温度上限。不过多晶硅虽然在过去二十年是制造MOSFET栅极的标准，但也

42、有若干缺点使得未来 仍然有部份MOSFET可能使用金属栅极，这些缺点如下：1. 多晶硅导电性不如金属，限制了信号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式改善其 导电性，但成效仍然有限。有些融点比较高的金属材料如：钨(Tungsten)、钛(Titanium)、 钻(Cobalt)或是镍(Nickel)被用来和多晶硅制成合金。这类混合材料通常称为金属硅化 物(silicide)。加上了金属硅化物的多晶硅栅极有著比较好的导电特性，而且又能够耐受高 温制程。此外因为金属硅化物的位置是在栅极表面，离通道区较远，所以也不会对MOSFET 的临界电压造成太大影响。在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自

43、我对准金属硅化物制程”(Self-Aligned Silicide)，通常简称 salicide制程。2. 当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时，例如编辑此文时最 新制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度，一种过去没有发现的现象也随之产生，这种现 象称为“多晶硅耗尽”。当MOSFET的反转层形成时，有多晶硅耗尽现象的MOSFET栅极多 晶硅靠近氧化层处，会出现一个耗尽层(depletion layer)，影响MOSFET导通的特性。要 解决这种问题，金属栅极是最好的方案。可行的材料包括钽(Tantalum)、钨、氮化钽(Tantalum Nitride)，或是氮化钛(Tita

44、lium Nitride)。这些金属栅极通常和高介电常数物质 形成的氧化层一起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化，称为FUSI(FUlly-SIlicide polysilicon gate)制程。各种常见的MOSFET技术双栅极MOSFET双栅极(dual-gate) MOSFET通常用在射频(Radio Frequency,RF)集成电路中，这 种MOSFET的两个栅极都可以控制电流大小。在射频电路的应用上，双栅极MOSFET的 第二个栅极大多数用来做增益、混频器或是频率转换的控制。耗尽型MOSFET一般而言，耗尽型(depletion mode)MOSFET 比前述的

45、增强型(enhancement mode) MOSFET少见。耗尽型MOSFET在制造过程中改变掺杂到通道的杂质浓度，使得这种 MOSFET的栅极就算没有加电压，通道仍然存在。如果想要关闭通道，则必须在栅极施加 负电压。耗尽型MOSFET最大的应用是在“常闭型”(normally-off)的开关，而相对的，加 强式MOSFET则用在“常开型”(normally-on)的开关上。NMOS逻辑同样驱动能力的NMOS通常比PMOS所占用的面积小，因此如果只在逻辑门的设计 上使用NMOS的话也能缩小芯片面积。不过NMOS逻辑虽然占的面积小，却无法像CMOS 逻辑一样做到不消耗静态功率，因此在1980年

46、代中期后已经渐渐退出市场。功率MOSFET圄】昭谭IESFET的姑恂邪电旭畛侍号 心内既轮构断面戒用b)电般帝号功率晶体管单元的截面图。通常一个市售的功率晶体管都包含了数千个这样的单元。主条目:功率晶体官功率MOSFET和前述的MOSFET元件在结构上就有著显著的差异。一般集成电路里 的MOSFET都是平面式(planar)的结构，晶体管内的各端点都离芯片表面只有几个微米 的距离。而所有的功率元件都是垂直式(vertical)的结构，让元件可以同时承受高电压与 高电流的工作环境。一个功率 MOSFET能耐受的电压是杂质掺杂浓度与 N型磊晶层(epitaxial layer)厚度的函数，而能通过

47、4&卫电力财心可希善畅榭桐出辑性 h-)探出咄的电流则和元件的通道宽度有关，通道越宽则能容纳越多电流。对于一个平面结构的 MOSFET而言，能承受的电流以及崩溃电压的多寡都和其通道的长宽大小有关。对垂直结 构的MOSFET来说，元件的面积和其能容纳的电流成大约成正比，磊晶层厚度则和其崩溃 电压成正比。功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结 J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极 的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子一电子吸引到栅极下面的P区 表面当

48、UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴 浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失， 漏极和源极导电。值得一提的是采用平面式结构的功率MOSFET也并非不存在，这类元件主要用在高级 的音响放大器中。平面式的功率MOSFET在饱和区的特性比垂直结构的MOSFET更好。 垂直式功率MOSFET则取其导通电阻(turn-on resistance)非常小的优点，多半用来做开 关切换之用。DMOSDMOS是双重扩散MOSFET (double-Diffused MOSFET)的缩写，它主要用于高压， 属于高压MOS管范畴。以MOSFET实现模拟开关MOSFET在导通时的通道电阻低，而截止时的电阻近乎无限大，所以适合作为模拟信 号的开关(信号的能量不会因为开关的电阻而损失太多)。MOSFET作为开关时，其源极与 漏极的分别和其他的应用是不太相同的，因为信号可以从MOSFET栅极以外的任一端进出。