什么是MIS

什么是MIS

金属－绝缘体－半导体（简写为 MIS）系统的三层结构如图1所示。如绝缘层采用氧化物,则称为金属-氧化物-半导体(简写为MOS)系统。硅片上生长一层薄氧化膜后再覆盖一层铝，就是 最常见的MOS结构。60年代以来MIS系统无论在技术应用方面还是在物理研究方面都有着十分特殊的作用。

金属－绝缘体－半导体系统

以SiO2为栅介质时，叫MOS器件，这是最常使用的器件形式。历史上也出现过以Al2O3为栅介质的MAS器件和以Si3N4为栅介质的MNS器件，以及以SiO2+Si3N4为栅介质的MNOS器件，统称为金属-绝缘栅-半导体器件--MIS器件。
以Al为栅电极时，称铝栅器件。以重掺杂多晶硅(Poly-Si)为栅电极时，称硅栅器件。它是当前MOS器件的主流器件。硅栅工艺是利用重掺杂的多晶硅 来代替铝做为MOS管的栅电极，使MOS电路特性得到很大改善，它使VTP下降1.1V，也容易获得合适的VTN值并能提高开关速度和集成度。
硅栅工艺具有自对准作用，这是由于硅具有耐高温的性质。栅电极，更确切的说是在栅电极下面的介质层，是限定源、漏扩散区边界的扩散掩膜，使栅区与源、漏交 迭的密勒电容大大减小，也使其它寄生电容减小，使器件的频率特性得到提高。另外，在源、漏扩散之前进行栅氧化，也意味着可得到浅结。 selfalignedpoly-siliconprocess自对准多晶硅工艺
铝栅工艺为了保证栅金属与漏极铝引线之间有一定的间隔，要求漏扩散区面积要大些。而在硅栅工艺中覆盖源漏极的铝引线可重迭到栅区，这是因为有一绝缘层将栅区与源漏电极引线隔开，从而可使结面积减少30%~40%。
硅栅工艺还可提高集成度，这不仅是因为扩散自对准作用可使单元面积大为缩小，而且因为硅栅工艺可以使用“二层半布线”即一层铝布线，一层重掺杂多晶硅布 线，一层重掺杂的扩散层布线。由于在制作扩散层时，多晶硅要起掩膜作用，所以扩散层不能与多晶硅层交叉，故称为两层半布线．铝栅工艺只有两层布线：一层铝 布线，一层扩散层布线。硅栅工艺由于有两层半布线，既可使芯片面积比铝栅缩小50%又可增加布线灵活性。
当然，硅栅工艺较之铝栅工艺复杂得多，需增加多晶硅淀积、等离子刻蚀工序，而且由于表面层次多，台阶比较高，表面断铝，增加了光刻的困难，所以又发展了以 Si3N4作掩膜的局部氧化LOCOS--Localoxidationonsilicon (又称为MOSIC的局部氧化隔离工艺LocalOxidationIsolationforMOSIC)，或称等平面硅栅工艺。
扩散条连线由于其电容较大，漏电流也较大，所以尽量少用，一般是将相应管子的源或漏区加以延伸而成。扩散条也用于短连线，注意扩散条不能跨越多晶硅层，有 时把这层连线称为“半层布线”。因硼扩散薄层电阻为30～120Ω/□，比磷扩散的R□大得多，所以硼扩散连线引入的分布电阻更为可观，扩散连线的寄生电 阻将影响输出电平是否合乎规范值，同时也因加大了充放电的串联电阻而使工作速度下降。因此，在CMOS电路中，当使用硼扩散条做连线用时要考虑到这一点。
当 在NMOS的栅上施加相对于源的正电压VGS时，栅上的正电荷在P型衬底上感应出等量的负电荷，随着VGS的增加，衬底中接近硅-二氧化硅界面的表面处的 负电荷也越多。其变化过程如下：当VGS比较小时，栅上的正电荷还不能使硅-二氧化硅界面处积累可运动的电子电荷，这是因为衬底是P型的半导体材料，其中 的多数载流子是正电荷空穴，栅上的正电荷首先是驱赶表面的空穴，使表面正电荷耗尽，形成带固定负电荷的耗尽层。
这时，虽然有VDS的存在，但因为没有可运动的电子，所以，并没有明显的源漏电流出现。增加VGS，耗尽层向衬底下部延伸，并有少量的电子被吸引到表面， 形成可运动的电子电荷，随着VGS的增加，表面积累的可运动电子数量越来越多。这时的衬底负电荷由两部分组成：表面的电子电荷与耗尽层中的固定负电荷。如 果不考虑二氧化硅层中的电荷影响，这两部分负电荷的数量之和等于栅上的正电荷的数量。当电子积累达到一定水平时，表面处的半导体中的多数载流子变成了电 子，即相对于原来的P型半导体，具有了N型半导体的导电性质，这种情况称为表面反型。
根据晶体管理论，当NMOS晶体管表面达到强反型时所对应的VGS值，称为NMOS晶体管的阈值电压VTN(ThresholdvoltageforN- channeltransistor)。这时，器件的结构发生了变化，自左向右，从原先的n+-p-n+结构，变成了n+-n-n+结构，表面反型的区域 被称为沟道区。在VDS的作用下，N型源区的电子经过沟道区到达漏区，形成由漏流向源的漏源电流。显然，VGS的数值越大，表面处的电子密度越大，相对的 沟道电阻越小，在同样的VDS的作用下，漏源电流越大。
当VGS大于VTN，且一定时，随着VDS的增加，NMOS的沟道区的形状将逐渐的发生变化。在VDS较小时，沟道区基本上是一个平行于表面的矩形，当 VDS增大后，相对于源端的电压VGS和VDS在漏端的差值VGD逐渐减小，并且因此导致漏端的沟道区变薄，当达到VDS=VGS-VTN时，在漏端形成 了VGD=VGS-VDS=VTN的临界状态，这一点被称为沟道夹断点，器件的沟道区变成了楔形，最薄的点位于漏端，而源端仍维持原先的沟道厚度。器件处 于VDS=VGS-VTN的工作点被称为临界饱和点。
在逐渐接近临界状态时，随着VDS的增加，电流的变化偏离线性，NMOS晶体管的电流-电压特性发生弯曲。在临界饱和点之前的工作区域称为非饱和区，显 然，线性区是非饱和区中VDS很小时的一段。继续在一定的VGS条件下增加VDS(VDS>VGS-VTN)，在漏端的导电沟道消失，只留下耗尽 层，沟道夹断点向源端趋近。由于耗尽层电阻远大于沟道电阻，所以这种向源端的趋近实际上位移值?L很小，漏源电压中大于VGS-VTN的部分落在很小的一 段由耗尽层构成的区域上，有效沟道区内的电阻基本上维持临界时的数值。因此，再增加源漏电压VDS，电流几乎不增加，而是趋于饱和。
这时的工作区称为饱和区，左图显示了器件处于这种状态时的沟道情况，右图是完整的NMOS晶体管电流—电压特性曲线。图中的虚线是非饱和区和饱和区的分界线，VGS事实上，由于?L的存在，实际的沟道长度L将变短，对于L比较大的器件，?L/L比较小，对器件的性能影响不大，但是，对于短沟道器件，这个比值将变大， 对器件的特性产生影响。器件的电流-电压特性在饱和区将不再是水平直线的性状，而是向上倾斜，也就是说，工作在饱和区的NMOS器件的电流将随着VDS的 增加而增加。这种在VDS作用下沟道长度的变化引起饱和区输出电流变化的效应，被称为沟道长度调制效应。衡量沟道长度调制的大小可以用厄莱(Early) 电压VA表示，它反映了饱和区输出电流曲线上翘的程度。受到沟道长度调制效应影响的NMOS伏-安特性曲线如图所示。
双极性晶体管的输出特性曲线形状与MOS器件的输出特性曲线相似，但线性区与饱和区恰好相反。MOS器件的输出特性曲线的参变量是VGS，双极性晶体管的输出特性曲线的参变量是基极电流IB。
衡量沟道长度调制的大小可以用厄莱(Early)电压VA表示，它反映了饱和区输出电流曲线上翘的程度。