NMOS工艺条件和步骤及优缺点详解

在MOS电路的发展过程中，发展最早、最快的是PMOS集成电路，PMOS电路的生产基本上是硅平面工艺，通常称为MOS常规工艺，它具有工艺简单，设备不复杂、易于控制等优点。但PMOS电路存在着速度太低的突出缺点，对发展速度高、性能好的MOS 大规模集成电路带来很大困难。PMOS工艺。为了提高电路速度和性能，科学家们对MOS 工艺进行了一系列的革新。采用了一些新材料和工艺。例如采用具有高迁移率的半导体材料，发展了NMOS和GaAsNOS集成电路；为了减小栅源、栅漏电容，发展了栅自对准MOS工艺；在绝缘栅介质方面，采用了较之SiO2，性能更佳的Si3N4、Al2O3，等绝缘薄膜；器件的栅电极除了用大家熟知的铝栅以外，又发展了硅粗、铝栅；在源、漏的形成及调节器件阈值电压大小、正负等方面，采用了离子注入技术。PMOS工艺。这样就使MOS集成电路工艺大大超出了硅平面工艺的范围，显示了MOS工艺的新特点。本章主要介绍NNOS:CMOS工艺及这些工艺中采用的一些新工艺和新技术。

一、NMOS工艺

N沟道工艺是MOS电路较早就选择工艺，因为理论上电子迁移率大得多，可以制成大跨导的MOS器件。NMOS工艺。但由于Si-SiO2界面处存在正电荷，往往容易造成N沟道耗尽型，而要制成N沟道增强型却比较困难。因此，早期的发展速度不如PMOS电路，但终因它有突出的优点，随着MOS技术的发展，目前速度较高的大规模 MOS集成电路中，NMOS已占重要的地位。

1、NMOS的优点

NMOS电路的优点很多，大致可归纳以下三点：

（1）开关速度高

MOS集成电路的开关速度，与器件充放电等效时间常数有关。若小，电路的速度就快，从第二章倒相器开关响应的讨论中知道；

其中。因为电子的迁移率约为空穴迁移率的三倍，若其它参数相同，则应为的三倍，所以是的1/3，可见N沟道MOS器件对电容的充放电速度比P沟道MOS器件快，所以电路的开沟道MOS器件快，所以电路的开关速度高。

（2）阀值电压低

由于SiO2中存在着正电荷，容易产生N沟道耗尽型，但可采取一定措施，使VT从负值向正值方向移动，以获得较小的正VT值。NMOS工艺。所以N沟道增强型器件的阈值电压必然是比较低的，从而可以在低电源下工作，一方面可以降低功耗，另一方面可直接与双极型TTL电路兼容。

（3）有利提高集成度

由于电子迁移率高于空穴迁移率，若取，则性能相同的电路，N沟道器件可获得较小的设计尺寸，从而使电路有较高的集成度，有利降低成本。

2、N沟道增强型器件的获得方法

要制造N沟道增强型器件，必须创造一定条件，采用一定的方法来控制阈值电压。NMOS工艺。下面讨论实现N沟道增强型器件的条件与方法。

（1）用高浓度衬底制作N沟道器件

前面讨论知道，要实现N沟道增强型器件，必须满足：

经过移项，得到：

（6-1）

这是实现N沟道增强型器件的衬底掺杂电荷的下限。

为了获得最低的表面态密度，我们采用〈100〉方向的P型Si单晶，控制在。

对于典型掺杂浓度，可以估算出功函数差与强反型表面势之和为。

若

将上述数据代入（6-1）式，得：

根据，可算得：

，材料的电阻率必须小于4Ω·cm。

如果要得到阈值电压的增强型器件，可根据VT表达式，算出：

可见，要实现N沟道增强型器件，采用高浓度的P型衬底是一个可行的方法。NMOS工艺。然而要使，取，即的P型Si，这样高浓度的衬底材料，所对应的栅调制击穿电压只有10V，是比较低的。

（2）衬底偏置法

从第一章中知道，当源极与衬底之间加偏置电压以后，可以使MOS器件产生一个附加阈值电压。NMOS工艺。由附加阈值电压表达式知道，影响有三个因素，即，和。因此，只要加一个较大的，就可使，并且还可以适当降低和，以提高和速度。

图6-2表明N沟道器件有效和背面栅偏压的关系。

曲线（A）表示衬底的掺杂浓度（合理的耐压）、（时的起始值）的情况。

曲线（B）表示，其余条件与（A）相同。

曲线（A’）为预先加（其余条件与（A）相同），时的情况。实际是把曲线（A）向左平移1V，即得到（A’）。

如果起始的N沟道器件，施加的偏压，有效的可达5V。可见施加对控制N沟道有明显的作用。NMOS工艺。在实际电路中，为了获得一个合理的，需要施加一个额外的电源，因此使用不如单一电源的方便。

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