CMOS知识普及-分析CMOS电路中的阱

CMOS电路中的阱

在CMOS电路的工艺结构中,应用在衬底上形成反型的阱是一大特点。已有的多种CMOS电路阱的类别,有p阱、n阱、双阱及倒转阱等(图4-3-3)。

CMOS电路中的阱-p阱

在a型衬底上,以离子注入掺杂使阱区域有足够的浓度,以补偿衬底上的n型掺杂并形成一个p阱区。n型起始材料的掺杂浓度也必须保证能使在其上制备的p沟器件特性符合要求(一般而言,其浓度约3X1014~1X1015 /cm3)。p阱的掺杂浓度也必须高于n型衬底浓度5~10倍。掺杂过浓也将损害n沟器件的性能,例如使迁移率降低，漏源区结电容增加，使体效应的敏感度增加。

因为p阱CMOS是最早实际制造的CMOS电路所采用的技术,已被工业界广泛采用了许多年，因而积累了丰富的经验,是非常成熟的。

采用p阱比n阱有如下几项优点:

(1)在纯静态逻辑电路中,p阱是一种较好的选择。在这类电路中两种型号的MOS器件间的良好平衡是十分有益的。

(2)在某些需要p型隔离区的场合甚为有利(如需制作npn晶体管等场合)。

(3)由于p阱比n阱具有更少的场反型问题的影响，故更易于制造。

(4)p阱CMOS在SRAM制造中更好,因为用NMOS器件作为贮存单元的增益较高,对于单元信息的读出和检测更为有利。

(5)在倒转阱的结构中，掺硼的p阱比掺磷、砷的n阱更为深入衬底,较易形成掺杂离子的倒转分布。

CMOS电路中的阱-n阱

在p型衬底上重掺杂以形成n阱。具有制备p型衬底上NMOS经验的公司,才会将n阱作为CMOS工艺的另一种选择。本技术有若干缺点:

(1)比p阱CMOS具有更大的场反型问题,(2)应用n阱较难制备纯静态、高性能的逻辑电路。

CMOS电路中的阱-双阱

在轻掺杂衬底上,形成两个隔开的n阱和p阱。衬底可以是轻掺杂的n型或p型材料，或者在一重掺杂衬底上生长轻掺杂外延材料。不论何种衬底材料,其表面的掺杂浓度都大大低于以后将形成的p沟或n沟器件掺杂浓度。

双阱工艺对亚微米器件具有明显的优点。最重要之点是它有利于制作亚微米沟道,制作对称的n沟和p沟器件对0.5μm沟道长度以下的器件是有益的。此外,在亚微米尺寸，衬底体掺杂应大大提高以克服穿通并维持足够的阈值电压。

这样原来单阱时所带来的轻掺杂衬底的好处不复存在。双阱工艺却可以提供两种最佳的掺杂分布。另一个好处是:双阱工艺与外延衬底相结合,可以灵活地应用n+或p+型衬底而不致影响晶体管和电路的性能，也不致改变基本的工艺步骤。

在不同的应用场合,需要采用不同型号的衬底和外延层,双阱工艺显然是很方便的。最后应指出,双阱工艺较易实现自对准沟道阻止注入,使n沟、p沟管的间距减小。详细的双阱剖面图如图4-3-4所示。

CMOS电路中的阱-倒转分布阱

普通的单阱或双阱,均先有离子注入硅片表面,然后在高温下向体内扩散形成。扩散过程既向纵向方向也向横向方向进行。这当然会影响器件的集成度。

如果将高能离子直接垂直地向si片体内注入到一定深度，则无需再进行扩散,必使横向扩散将大大减少。这样的离子注入,其掺杂的峰值在硅片内一定深度,随着向表面靠近而衰减,图4-3-5示出了普通的P阱与倒转阱的B+离子浓度分布图。用这种方法形成的阱,称之为倒转分布阱(Retro-grade Well)。

除了能增加集成密度之外,它还具有下列优点:

1.对寄生的垂直双极型晶体管而言,倒转分布阱提供了一种减速场,对于消除CMOS电路中的闩锁效应(Latchup)是有益的。

2.减少垂直的穿通。

3.阱的底部电导率的增加也对保护电路防止闸流效应有益。

4.应用高能B+离子注入，能够获得p阱的高周值电压的场区。因为场氧化后,可直接注入B+离子,而先注入B+离子再生长场氧化层,使B+离子分凝到氧化物中去。

倒转分布阱的缺点是结电容和体效应大大增加。当应用非常高能量的离子注入形成倒转分布阱时,在漏源区的底部的掺杂浓度减少,从而减少了漏源区的结电容。

在倒转阱中,既有p型的也有n型的。但更广泛应用的是p型倒转阱。因为硼离子的射程较砷、磷离子要大得多,形成n型阱需要用700keV的砷,磷离子注入器，而硼离子注入器只需200~400keV。

在亚微米领域,双阱和倒转阱应用得更为广泛，当然在工艺过程方面更为复杂，同时增加了成本。

在工艺设计方面,首先要决定选择何种阱工艺。随后,决定隔离的方法,阱的深度,掺杂的分布。阱深将影响到阱之间的距离以及垂直的穿通电压。掺杂的分布情况将会影响到器件的互导、阈值电压、漏源间穿通电压、结电容、载流子迁移率、漏/源到衬底间的击穿电压、体效应的灵敏度以及热载流子效应等。

CMOS简介

CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写。它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片，是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片。因为可读写的特性，所以在电脑主板上用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据，这个芯片仅仅是用来存放数据的。

电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。

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