詳解MOS管閾值電壓與溝長和溝寬的關系及影響閾值電壓的因素

閾值電壓 （Threshold voltage）：通常將傳輸特性曲線中輸出電流隨輸入電壓改變而急劇變化轉折區的中點對應的輸入電壓稱為閾值電壓。在描述不同的器件時具有不同的參數。如描述場發射的特性時，電流達到10mA時的電壓被稱為閾值電壓。

MOS管閾值電壓與溝長和溝寬的關系

關于 MOSFET 的 W 和 L 對其閾值電壓 Vth 的影響，實際在考慮工藝相關因素后都是比較復雜，但是也可以有一些簡化的分析，這里主要還是分析當晶體管處在窄溝道和短溝道情況下，MOSFET 耗盡區的電荷的變化，從而分析其對晶體管的閾值電壓的作用。

Narrow channel 窄溝的分析

從上圖可以看到，決定MOSFET閾值電壓的耗盡層電荷，并不僅是在柵下區域的電荷 Qch；實際上在圖中耗盡區左右與表面相接處，還需要有額外的電荷 Qchw。

在晶體管的溝寬 W 較大時，Qchw 這一額外的電荷可以忽略；而當溝寬 W 較小時，Qchw 不能再忽略，使得等效的耗盡層電荷密度增加，MOS 管的閾值電壓升高，即如上面圖所示。

實際上，窄溝導致的閾值電壓的變化也可以理解為在溝寬 W 方向的邊緣電場的電力線出現在溝道以外，因此需要更多的柵電壓來維持溝道開啟。因此窄溝的效應實際上與具體的集成電路工藝，例如器件采用的隔離方式和隔離區域的摻雜濃度等關系很大。

對于 STI （shallow trench isolaTIon） 隔離方式的 MOSFET， 由于 STI wall 的作用，溝寬 W 方向的邊緣電場的電力線實際上是在溝道方向集中，因此會出現所謂的 inverse narrow-width effect，也即是隨著溝寬 W 的減小，閾值電壓隨之減小。

Short channel 短溝的分析

如上面左圖所示， 晶體管中耗盡層電荷包括從源到漏的所有電荷。 但是， 實際上在靠近源和漏端的部分電荷 Qchl ， 不再直接受控于柵， 而是由源和漏來控制。 因此 Qchl 是不應該包含在閾值電壓的計算中的。

類似之前的分析， 當溝長 L 較小時， 需要考慮 Qchl 影響， 使等效的耗盡層電荷密度減小， MOS 管的閾值電壓減小，即如上面右圖所示。

在具體工藝中， 由于存在溝道的非均勻摻雜等現象，實際上會使得有 reverse short-channel effect 的出現，即隨著 MOSFET 的溝長 L 的減小，閾值電壓會先小幅升高，之后 L 進一步減小時，閾值電壓下降，并且此時的閾值電壓對溝長的變化更為敏感。

影響閾值電壓的因素

一個特定的晶體管的閾值電壓和很多因素有關，包括backgate的摻雜，電介質的厚度，柵極材質和電介質中的過剩電荷。

1、背柵的摻雜

背柵（backgate）的摻雜是決定閾值電壓的主要因素。如果背柵摻雜

越重，它就越難反轉。要反轉就要更強的電場，閾值電壓就上升了。MOS管的背柵摻雜能通過在介電層表面下的稍微的implant來調整。

2、電介質

電介質在決定閾值電壓方面也起了重要作用。厚電介質由于比較厚而削弱了電場。所以厚電介質使閾值電壓上升，而薄電介質使閾值電壓下降。

3、柵極的物質成分

柵極（gate）的物質成分對閾值電壓也有所影響。如上所述，當GATE和BACKGATE短接時，電場就施加在gate oxide上。

4、介電層與柵極界面上過剩的電荷

GATE OXIDE或氧化物和硅表面之間界面上過剩的電荷也可能影響閾值電壓。這些電荷中可能有離子化的雜質原子，捕獲的載流子，或結構缺陷。電介質或它表面捕獲的電荷會影響電場并進一步影響閾值電壓。如果被捕獲的電子隨著時間，溫度或偏置電壓而變化，那么閾值電壓也會跟著變化。

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