2.2 MOS管

在图2.6的讨论中，MOS管的栅极用金属铝制作，因此被称为铝栅CMOS工艺。铝栅CMOS工艺需要先进行源漏扩散区注入，然后再制作铝栅，铝栅必须严格地对准沟道上方。但由于对准误差的存在，铝栅CMOS工艺只能达到微米级水平，而对于亚微米和深亚微米以上，必须采用多晶硅（polysilicon）栅自对准CMOS工艺。与铝栅CMOS工艺相比，基于多晶硅栅的自对准工艺大大提高了CMOS芯片的集成度，成为CMOS领域的主流工艺，而铝栅CMOS工艺已经基本上退出了历史舞台，目前主要应用在抗辐射等一些特殊领域。

如图2.8所示为多晶硅栅自对准工艺示意图，这种工艺要先制作多晶硅栅，然后横跨多晶硅栅进行整体的扩散区离子注入，由于离子不能穿过多晶硅栅，这样就在多晶硅栅的下面天然地形成了沟道，栅的两侧形成源区和漏区，实现了栅与沟道的自对准。另外，制作栅的多晶硅本身导电性极差，而在进行源漏注入时，多晶硅栅也被进行了离子注入，进行离子注入后其导电性会大大提高。所以在自对准工艺中，对源漏扩散区注入的同时，多晶硅栅也得到了注入，天然地解决了多晶硅栅的导电性问题。需要指出的是，实际工艺中的离子注入角度与图中垂直向下不同，需要7°～9°的倾斜，有关这个问题将在第6章的倾斜角度离子注入部分进行详细说明。

在进行集成电路工艺加工之前，需要预先设计好扩散区、栅、金属线条和接触孔等的图形，这些图形就是版图。如图2.9所示为多晶硅栅MOS管的版图，最左侧为MOS管完整版图，旁边是MOS管各个图层的分解图，包括栅（GT）、扩散区（AA）、金属（M1）和接触孔（CT）。从分解图中可以看出，扩散区（AA）是一个整体，由于多晶硅栅的遮挡，实际形成的扩散区被分成了两个独立的部分，分别为源区（S）和漏区（D），多晶硅栅与扩散区的交叠部分称为沟道，在源漏区上打接触孔，通过金属（M1）拉出电极D和S。图中MOS管源漏扩散区之间的距离定义为沟道长度L，扩散区的宽度定义为沟道宽度W，大部分情况下L小于W，这有些不太符合人们的基本认知习惯。栅伸出扩散区的部分是为了确保在一定的工艺误差下，栅极仍然能完整跨过扩散区。

如图2.10所示为NMOS管的剖面图，左图为垂直栅方向的剖面图，右图为沿着栅方向的剖面图。垂直栅方向的剖面图比较简单，与铝栅的结构非常相似，这里不再解释，而沿着栅方向的剖面图有些特殊的地方需要说明。从图中可以看出，栅的两端高中间低，低的部分下面是沟道，高的部分是栅超出扩散区的部分。低的部分氧化层比较薄，被称为栅氧层，高的部分氧化层比较厚，被称为场氧层。栅氧越薄越好，这样可以提高栅与沟道之间的电场强度，但是太薄了又容易击穿，通常情况下为几十到几百埃（Å）的量级（1Å=0.1nm）。在一些特殊的高电压大功率工艺中，比如BCD（Bipolar CMOS DMOS）工艺，栅氧层厚度可达几千埃。

有时MOS管的宽长比（W/L）会很大，造成版图很细很长，这时需要采用多个短MOS管并联的结构，即多指结构。如图2.11所示为多指结构MOS管版图，左侧是一个4栅多指结构MOS管版图，每条栅代表一个MOS管，栅两侧为S和D扩散区，相邻MOS管共用S和D。中间是把栅并联起来的版图，可以看出，用GT层直接把各个栅连接起来，再打上接触孔，连接到M1即可。右侧是将源漏也并联在一起的版图，它是多指结构MOS管最终的版图样子。

MOS管的很多特性都与宽长比（W/L）有关，由于W/L是个比值，并没有规定宽和长的具体尺寸，因此就存在W和L的尺寸优化问题。由MOS管的Ⅰ-Ⅴ特性可知，在忽略沟道调制效应条件下，进入饱和区之后，MOS管的Ⅰ_ds近似与Ⅴ_DS无关，但随着L的减小，沟道长度调制效应会越来越明显[3]。为了提高恒流特性，在保持W/L不变的情况下，可以适当增加L，但这也会使W等比例增加，导致MOS管的版图面积和寄生效应也随之增加。因此，优化MOS管的宽长比需要综合考虑多方面的因素。

由表2.1可知，Si的电子迁移率几乎是空穴迁移率的3倍，所以在相同尺寸下NMOS管的驱动能力也几乎是PMOS管的3倍。由于CMOS逻辑门的输出通常由NMOS管作为下拉管，由PMOS管作为上拉管，为了平衡逻辑门的上拉和下拉能力，在L相同的情况下，通常会将PMOS管的W设置为NMOS管的3倍。

如图2.12所示，在进行离子注入时，离子除了纵向扩散之外，还会横向扩散，横向扩散部分被称为鸟嘴，在Spice模型中用参数LD描述。鸟嘴不仅使有效栅长L_eff（L_eff=L-2LD）减小，而且还会增加栅极与源极、漏极之间的交叠电容，不仅影响器件的高频特性，而且还会在采样保持电路中造成时钟馈通（Clock Feedthrough）。

随着CMOS工艺的不断发展，MOS管的栅氧层厚度也越来越薄，击穿电压也越来越低，而且同一个工艺可以支持多种电压的MOS管。以0.18μm工艺为例，其核心电路电源电压为1.8V，为了支持3.3V的电路设计，0.18μm工艺也提供3.3V的MOS管，1.8V与3.3V的MOS管在版图结构上基本相同，主要区别在于栅氧层厚度不同。图2.13是1.8V和3.3V的MOS管版图对比，左边是1.8V的MOS管，右边是3.3V的MOS管，每个MOS管都由4个MOS管并联构成。这两种MOS管的版图结构基本相同，差别在于3.3V的MOS管额外增加了3.3V识别层，这个识别层用于指导工艺流程，将它所覆盖的栅氧层生长得厚一些。

基于多晶硅栅的自对准工艺有力地推进了摩尔定律的发展，使CMOS工艺从微米级开始，经历了亚微米、深亚微米到几十纳米的发展阶段。在几十纳米之后，多晶硅栅MOS管遇到了越来越多的困难，给MOS管的新结构带来了挑战。FinFET和GAAFET就是两种典型的MOS管新结构（见图2.14），它们为摩尔定律能够延续到几纳米奠定了基础。

鳍式场效应晶体管（Fin Field-Effect Transistor，FinFET）的结构由加州大学伯克利分校胡正明教授团队于1999年提出[10]，2011年Intel公司首先在其22nm工艺节点上实现商用。Fin是鱼鳍的意思，FinFET是根据晶体管的形状与鱼鳍相似而得名。

从FinFET的三维结构可以看出，FinFET的栅极像城墙，而沟道就是城门洞，FinFET的源极和漏极分别在城门的内外两侧。如果把普通CMOS看成2D平面器件，那FinFET就相当于一个3D立体器件，它把平面沟道变成立体沟道，利用高度增加沟道截面积，减小了MOS管的平面面积。FinFET为摩尔定律在几十纳米后继续向前推进创造了条件，成为目前高端芯片的主流器件。

随着FinFET尺寸的缩小，单鳍FinFET的电流驱动能力不断下降，短沟效应和衬底电流泄漏也变得越来越严重，当工艺推进到5nm以下时，单鳍FinFET的电流驱动能力明显不足，使FinFET工艺无法继续前进，正在逐步被全包围栅极场效应晶体管（Gate-All-Around FET，GAAFET）所取代。

GAAFET的沟道完全被栅隔离包围，这样不仅可以提高栅的控制能力，而且衬底电流泄漏也比FinFET少很多[11]。为了提高驱动能力，GAAFET只需要在平面的垂直方向多堆叠几个沟道（纳米薄片）即可，不会占用更多平面资源，而多鳍FinFET则需要占用更多的平面面积，在3nm、2nm及以下的工艺中，GAAFET几乎是唯一的选择。

CMOS工艺能加工的最小栅长L通常定义为工艺的特征尺寸，即多晶硅栅线条的最小宽度。CMOS工艺按照摩尔定律发展，特征尺寸也从最初的十几微米发展到现在的几纳米，后面的路将越走越难，摩尔定律什么时候终结也是业界正在探讨的问题。就连Intel公司这样的IDM（Integrated Device Manufacture，可简单理解为设计和制造一体）公司也感到力不从心，打算放弃追求最小线宽，而把重点放到芯片的3D封装上，以便从另一个角度提升单颗芯片的计算能力和系统集成度。

绝缘体上硅（Silicon On Insulator，SOI）是另外一种比较重要的CMOS工艺，该工艺是在硅衬底和背衬底之间引入了一层埋氧化层，将MOS管与衬底进行了绝缘隔离，其结构如图2.15所示。SOI消除了MOS器件与衬底的寄生结电容，其工作速度快，电路功耗低[12]。由于它比普通CMOS工艺复杂，集成度也相对较低，所以主要应用于高速、超低功耗和抗电离辐射等领域。

除了MOS管外，CMOS工艺还可以制造电阻、电容和晶体管等其他类型的器件，它们也是构成CMOS模拟集成电路的重要器件，下面进行介绍。