傳統(tǒng)上，采用多晶硅柵極的場效應(yīng)管利用場區(qū)LOCOS邊緣的重疊來連接在薄的柵氧化區(qū)(圖1)制造的N+型或P+型源極區(qū)和漏極區(qū)。由于深亞微米工藝發(fā)展使得柵極氧化區(qū)的厚度僅有7nm或更薄，而凹形襯底又是高度摻雜的，因此場閾值(25伏或更高)變得比柵極氧化區(qū)的擊穿電壓(15伏或更低)還要高。為了可在薄的柵極氧化層不被擊穿的情況下測量場效應(yīng)管閾值電壓，這兒提出了一種新的結(jié)構(gòu)。其中多晶佳柵極限制在薄氧化區(qū)，但通過一個金屬柵極產(chǎn)生的場感應(yīng)溝道連接源區(qū)和漏區(qū)(圖2)。這一器件是一個金屬柵和多晶硅柵極復(fù)合晶體管。在場區(qū)表面形成的溝道只有在多晶硅柵極和金屬柵極同時處于兩個區(qū)的閾值電壓以上時才是導(dǎo)通的。通過將兩種柵極連接到適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源，就可以直接確定多晶硅柵區(qū)和金屬柵區(qū)的場閾值電壓。


器件測量


如圖3所示，測量用的場效應(yīng)管多晶硅柵極寬度為4微米(與溝道長度對應(yīng))，金屬柵極寬度也為4微米，溝道寬度為20微米。有兩種測量閾值的方法：種方法是將一個柵極設(shè)置為固定的高電壓偏置，然后調(diào)節(jié)另一個柵極電壓；第二種方法是調(diào)節(jié)第二柵極的電壓使得它與被測試柵極上的電壓維持在一個固定的電壓差值。由于我們測試中使用的HP4156測試儀電壓限制為100V，因此我們使用的是種方法。因此，如圖4所示，為了測量多晶硅柵區(qū)的電壓閾值，就將金屬柵極連接到+100V，然后在保持源極電壓為100mV的情況下，調(diào)節(jié)多晶硅柵極電壓，直到100V。閾值電壓可按照標(biāo)準(zhǔn)的方法從陡的線與1:V曲線的投影確定。這樣做的優(yōu)點是非常簡單，并且僅要求兩個場閾值都低于電源電壓。但這樣做的一個缺點是金屬場效應(yīng)管起到限流的作用，只有在金屬場效應(yīng)管設(shè)定的限制以內(nèi)才能獲得正常的晶體管特性。交換多晶硅和金屬柵極，將多晶硅柵極連接到100V，然后調(diào)節(jié)金屬柵極電壓，直到100V。由于多晶硅柵極與輸出耦合在一起，因此可在更寬的電流范圍內(nèi)獲得正常的晶體管特性。


測量結(jié)果


在Vd=0.1V和Vg2=100V，Vg1從0調(diào)節(jié)至100V時的典型晶體管參數(shù)示于圖5，其中(a)NMOS、g1=多晶硅柵極；(b)NMOS、g1=金屬柵極；(c)PMOS、g1=多晶硅柵極；(d)PMOS、g1=金屬柵極。每種情況下，g2對應(yīng)的都是另外一個柵極，對于PMOS器件，極性是反的。金屬區(qū)的閾值為95V，而多晶硅的閾值為22V(N)和-20V(P)。


分析


盡管閾值電壓可相對容易地確定，但溝道轉(zhuǎn)移特性或每個晶體管的增益則必須進行更為仔細的計算才能得到。利用雙晶體管的經(jīng)典MOSFET方程，結(jié)合低漏極電壓條件，并假設(shè)體效應(yīng)和漏極電壓影響很小(雖然對于場效應(yīng)管的體效應(yīng)可能并不可忽略。)，則復(fù)合漏極電流與柵極電壓的關(guān)系可表示為：

ld={ _{1} _{2} C_{OX1} C_{OX2}(V_{g1}-V_{t1})(V_{g2}-V_{t2})({W_{1}}\over{L_{1}})({W_{2}}\over{L_{2}})}\over{ _{1} C_{OX1}(V_{g1}-V_{t1})({W_{1}}\over{L_{1}})+ _{2} C_{OX2}(V_{g2}-V_{V_{t2}})({W_{2}}\over{L_{2}})} V_lm4jguk

可以利用逐次逼近的迭代法解這一方程得到轉(zhuǎn)移特性。由于溝道寬度是一個常數(shù)(在一階意義下)，可從分子和分母同時消去，而溝道長度則采用圖中初給出的數(shù)據(jù)(L多晶硅=4微米和L金屬=8微米)。閾值如前所述得出，但經(jīng)過迭代可得到更好的一組閾值。我們假設(shè)氧化層厚度也是可從工藝信息中獲得的。不同的轉(zhuǎn)移特性項允許從柵極偏置電壓中求出不同的遞降效應(yīng)，

_{X}={ _{0}}\over{1+ (V_{gx}-V_{tx})}

其中，取0為針對特定技術(shù)的常數(shù)，x表示多晶硅或金屬柵極。更好的解決方案是通過使一個柵極偏置在比另一個柵極高固定電壓值的更高電壓上進行測量，然而再交換兩相柵極進行測量。但如果測量工具限制測量電壓為100V，正如我們的情況一樣，就無法做到這一點，但利用容許電壓范圍更寬的測試儀器，則可以相對容易地解出晶體管增益。對于所評估的0.35微米COMS技術(shù)，測試儀器所需要的額外電壓范圍也僅有20V左右。