CMOS知識普及-分析CMOS電路中的阱

CMOS電路中的阱

在CMOS電路的工藝結構中,應用在襯底上形成反型的阱是一大特點。已有的多種CMOS電路阱的類別,有p阱、n阱、雙阱及倒轉阱等(圖4-3-3)。

CMOS電路中的阱-p阱

在a型襯底上,以離子注入摻雜使阱區域有足夠的濃度,以補償襯底上的n型摻雜并形成一個p阱區。n型起始材料的摻雜濃度也必須保證能使在其上制備的p溝器件特性符合要求(一般而言,其濃度約3X1014~1X1015 /cm3)。p阱的摻雜濃度也必須高于n型襯底濃度5~10倍。摻雜過濃也將損害n溝器件的性能,例如使遷移率降低，漏源區結電容增加，使體效應的敏感度增加。

因為p阱CMOS是最早實際制造的CMOS電路所采用的技術,已被工業界廣泛采用了許多年，因而積累了豐富的經驗,是非常成熟的。

采用p阱比n阱有如下幾項優點:

(1)在純靜態邏輯電路中,p阱是一種較好的選擇。在這類電路中兩種型號的MOS器件間的良好平衡是十分有益的。

(2)在某些需要p型隔離區的場合甚為有利(如需制作npn晶體管等場合)。

(3)由于p阱比n阱具有更少的場反型問題的影響，故更易于制造。

(4)p阱CMOS在SRAM制造中更好,因為用NMOS器件作為貯存單元的增益較高,對于單元信息的讀出和檢測更為有利。

(5)在倒轉阱的結構中，摻硼的p阱比摻磷、砷的n阱更為深入襯底,較易形成摻雜離子的倒轉分布。

CMOS電路中的阱-n阱

在p型襯底上重摻雜以形成n阱。具有制備p型襯底上NMOS經驗的公司,才會將n阱作為CMOS工藝的另一種選擇。本技術有若干缺點:

(1)比p阱CMOS具有更大的場反型問題,(2)應用n阱較難制備純靜態、高性能的邏輯電路。

CMOS電路中的阱-雙阱

在輕摻雜襯底上,形成兩個隔開的n阱和p阱。襯底可以是輕摻雜的n型或p型材料，或者在一重摻雜襯底上生長輕摻雜外延材料。不論何種襯底材料,其表面的摻雜濃度都大大低于以后將形成的p溝或n溝器件摻雜濃度。

雙阱工藝對亞微米器件具有明顯的優點。最重要之點是它有利于制作亞微米溝道,制作對稱的n溝和p溝器件對0.5μm溝道長度以下的器件是有益的。此外,在亞微米尺寸，襯底體摻雜應大大提高以克服穿通并維持足夠的閾值電壓。

這樣原來單阱時所帶來的輕摻雜襯底的好處不復存在。雙阱工藝卻可以提供兩種最佳的摻雜分布。另一個好處是:雙阱工藝與外延襯底相結合,可以靈活地應用n+或p+型襯底而不致影響晶體管和電路的性能，也不致改變基本的工藝步驟。

在不同的應用場合,需要采用不同型號的襯底和外延層,雙阱工藝顯然是很方便的。最后應指出,雙阱工藝較易實現自對準溝道阻止注入,使n溝、p溝管的間距減小。詳細的雙阱剖面圖如圖4-3-4所示。

CMOS電路中的阱-倒轉分布阱

普通的單阱或雙阱,均先有離子注入硅片表面,然后在高溫下向體內擴散形成。擴散過程既向縱向方向也向橫向方向進行。這當然會影響器件的集成度。

如果將高能離子直接垂直地向si片體內注入到一定深度，則無需再進行擴散,必使橫向擴散將大大減少。這樣的離子注入,其摻雜的峰值在硅片內一定深度,隨著向表面靠近而衰減,圖4-3-5示出了普通的P阱與倒轉阱的B+離子濃度分布圖。用這種方法形成的阱,稱之為倒轉分布阱(Retro-grade Well)。

除了能增加集成密度之外,它還具有下列優點:

1.對寄生的垂直雙極型晶體管而言,倒轉分布阱提供了一種減速場,對于消除CMOS電路中的閂鎖效應(Latchup)是有益的。

2.減少垂直的穿通。

3.阱的底部電導率的增加也對保護電路防止閘流效應有益。

4.應用高能B+離子注入，能夠獲得p阱的高周值電壓的場區。因為場氧化后,可直接注入B+離子,而先注入B+離子再生長場氧化層,使B+離子分凝到氧化物中去。

倒轉分布阱的缺點是結電容和體效應大大增加。當應用非常高能量的離子注入形成倒轉分布阱時,在漏源區的底部的摻雜濃度減少,從而減少了漏源區的結電容。

在倒轉阱中,既有p型的也有n型的。但更廣泛應用的是p型倒轉阱。因為硼離子的射程較砷、磷離子要大得多,形成n型阱需要用700keV的砷,磷離子注入器，而硼離子注入器只需200~400keV。

在亞微米領域,雙阱和倒轉阱應用得更為廣泛，當然在工藝過程方面更為復雜，同時增加了成本。

在工藝設計方面,首先要決定選擇何種阱工藝。隨后,決定隔離的方法,阱的深度,摻雜的分布。阱深將影響到阱之間的距離以及垂直的穿通電壓。摻雜的分布情況將會影響到器件的互導、閾值電壓、漏源間穿通電壓、結電容、載流子遷移率、漏/源到襯底間的擊穿電壓、體效應的靈敏度以及熱載流子效應等。

CMOS簡介

CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫。它是指制造大規模集成電路芯片用的一種技術或用這種技術制造出來的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的RAM芯片。因為可讀寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設置完電腦硬件參數后的數據，這個芯片僅僅是用來存放數據的。

電壓控制的一種放大器件，是組成CMOS數字集成電路的基本單元。

而對BIOS中各項參數的設定要通過專門的程序。BIOS設置程序一般都被廠商整合在芯片中，在開機時通過特定的按鍵就可進入BIOS設置程序，方便地對系統進行設置。因此BIOS設置有時也被叫做CMOS設置。

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