MOS微电子技术简介

文章摘要：MOS场效应晶体管是金属－氧化物－半导体场效应晶体管的简称，它通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力。MOS场效应晶体管不仅具有双极型三极管体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入阻抗高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。与双极型三极管不同，MOS晶体管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。MOS晶体管可以分为增强型晶体管与耗尽型晶体管两种。根据沟道掺杂不同，又可分为N沟道增强型晶体管、P沟道增强型晶体管、N沟道耗尽型晶体管和P沟道耗尽型晶体管四种。图1展示了N沟道增

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　　MOS场效应晶体管是金属－氧化物－半导体场效应晶体管的简称，它通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力。MOS场效应晶体管不仅具有双极型三极管体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入阻抗高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。

　　与双极型三极管不同，MOS晶体管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。MOS晶体管可以分为增强型晶体管与耗尽型晶体管两种。根据沟道掺杂不同，又可分为N沟道增强型晶体管、P沟道增强型晶体管、N沟道耗尽型晶体管和P沟道耗尽型晶体管四种。图1展示了N沟道增强型和耗尽型两种晶体管的结构示意图。

　　图1 N沟道增强型和耗尽型晶体管结构示意图

　　图1中显示的G、D、S分别叫做MOS晶体管的栅极、漏极和源极。从图中可以看出，增强型晶体管与耗尽型晶体管的区别在于，耗尽型晶体管存在原始导电沟道，而增强型晶体管没有原始导电沟道。

　　对于增强型晶体管，当UGS＝0时，漏源之间相当于两个背靠背的pn结，无论DDS的值大小如何都不会在D、S间形成电流iD，即iD=0；当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电；当UGS=T时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDs的作用下形成。，晶体管开始导通；当UGs＞UT时，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDs的作用下，ID将进一步增加。对于耗尽型晶体管，当UGS＝0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID，此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用UDSS表示；当（UCS）0时，将使iD进一步增加；当已UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD＝0的（UGs称为夹断电压，用符号Up表示。由以上的分析可以看出，MOS场效应晶体管利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

　　将P沟道MOS晶体管与N沟道MOS晶体管同时运用到一个集成电路中就构成了CMOS集成电路。CMOS集成电路具有静态功耗低、电源电压范围宽、输出电压幅度宽、速度快、密度高等优点，已成为目前微电子工业的主流技术。

　　CMOS集成电路用P沟道MOS管作为负载器件，N沟道MOS管作为驱动器件，因此在同个衬底上同时制作P沟道MOS晶体管和N沟道MOS晶体管。在制作中，必须将一种MOS晶体管制作在衬底上，而将另一种MOS晶体管制作在比衬底浓度高的阱中。CMOS集成电路工艺根据阱的导电类型可以分为P阱工艺、N阱工艺和双阱工艺。本节具体介绍目前较为流行的双阱工艺的流程。图2是双阱工艺CMOS器件的结构示意图。

　　图2 双阱工艺CMOS器件的结构示意图

　　图3介绍了双阱工艺CMOS器件的主要流程。首先，在已经清洁过的硅衬底上淀积一层二氧化硅（SiO2）层。在光刻胶的保护下，将N阱区刻蚀出来，并将N型杂质注入到硅衬底中。将二氧化硅层去除，这样就形成N阱区域。用同样的步骤可以形成P阱区域。然后在需要制作晶体管隔离的区域注入隔离杂质。注入时需要在硅衬底上覆盖氧化层和氮化硅层保护其他区域。在隔离区域生长氧化物隔离层，从而实现晶体管之间的电气隔离。下一步是生长栅氧化层，并在氧化层上淀积多晶硅形成栅极。接着在光刻胶的保护下，对晶体管有源区进行注入。由于在同一衬底上需要制作两种晶体管，所以在注入时需要分开来进行。图3中还展示了衬底接触区域的注入。最后在栅极旁边制作栅极氧化保护，并在各极淀积硅化物作接触点。这样一个双阱工艺的CMOS器件就制作完成了。

　　图3 双阱工艺CMOS器件主要流程