第11章 MOS场效应管基础MOS电容MOS二极管在半导体器件中占有重要地位, 是研究半导体表面特性最有用的器件之一. 是现代IC中最重 要器件-MOSFET的核心, 实际应用中, MOS二极管可作为储 存电容器, 是电荷耦合器件(CCD)的基本组成部分. 1960年Kahng等应用氧化硅结构制出第1只MOSFET. 现在MOSFET是大规模集成电路中的核心器件.1. MOS电容-MOS二极管 2. MOS电容器电压特性 3. MOSFET基本原理 4. MOSFET按比例缩小11.1 MOS电容-MOS二极管MOS电容是MOSFET的核心: 由金属/氧化物/半导体组成.通常Si基板接地; V 0正偏压; V 0, 空穴远离SiO2-Si界面, 形成空间电荷区.负离子理想MOS二极管-能带图V=0时, 理想p型MOS 管能带图. qc为电子亲和 力, qB=EF-EFi 真空能级mqsq 金属型半导体Pd氧化层EFFEVEFiECE2/gEByqcqV=0时理想MOS二极管能带图理想 1) 零偏时, 金属功函数 qm=半导体功函数qs.2)任意偏压, MOS中电荷仅位于半导体中和金属表 面, 且电量相等, 极性相反; 3) 直流偏压下, 无载流子 通过氧化层.能带图-积累对p型半导体, 金属加负压 反偏, SiO2/Si界面处产生超量空 穴, 半导体表面能带向上弯. 理 想MOS管, 器件内无电流, 半导 体内EF维持为常数; 半导体内载 流子密度与能级差关系为: 0xS QmQ )exp( kTEEnpFFi ip=能带向上该处EFi-EFEF接近 EV空穴浓度, SiO2/半导体界面 空穴堆积=积累. 对应电荷分布如图 .FECEEFiFEVE0VFE0V 0VFEVEEFiCE-+p型金属加正压正偏能带图-反型EF-EFi0, 半导体表面电 子浓度ni, 而空穴浓度空穴(多子), 表面载流子呈现反型. V0EVEFiECEFxd00mQxWqNAnQEF-EFi0较小时, 表面堆积 电子较少=弱反型; EF-EFi, EFEC; 当SiO2/Si 界面电子浓度=衬底掺杂时, 产 生强反型. 继续EF-EFi, 增加的大部分 电子Qn处于窄反型层(0xxd) 中; xd -反型层宽度, 典型值 1nm 10nm; 且xd电子浓度-反型.n型2. 耗尽层宽度图为p型半导体表面能带图. 衬底内静电势=0, 半导体表面 电势 =S(空间电荷区的电势差).电子与空穴浓度为的函 数, 表面载流子浓度为: EFEV半导体表面EgfpyqyqSqyxdp半导体氧化层EFiEC = kTqnnfps ip)(exp =kTqnpsfp ip)(expyy能带向下弯曲,为正值, 由(7-9)式, 可知)ln(ia TnNVfp=y=qEEFFi各区间表面电势分为:ss0: 空穴耗尽(能带向 下);s=fp: 禁带中心, npni.sfp:反型(能带向下弯曲 超过EF).-反型-+耗尽层宽度电势/反型电势为距离x的函数, 由一维泊松方程er)(xy22dxd=均匀掺杂, 耗尽层内电荷WqNA=r积分泊松方程, 得表面耗尽区静电势分布其中表面电势(式7-26) (与单边突变结n+p相同)ey22WqNA S=耗尽层宽度-单边突变结 (式7-29)2/1)2(As dqNxey=)1 (Wx S=yy2dxdE=耗尽层宽度强反型ys=yfp时, 表面处EF=EFi, 表面开 始反型; 当表面电子浓度np=NA(衬 底掺杂浓度)时, 由)exp(kTqnNfp iAy= = kTqnnfps ip)(expfpSyy2=ys=2yfp条件称为-阈值反型点; 所加电压为阈值电压.EFEV半导体表面EgfpyqyqSqyxdp半导体氧化层EFiECys=2yfnEFi-EFEF-EFi最大耗尽层宽度qys=2qyfpxdTys=2yfp时, 表面强反型, 表面电荷浓度成指数增, 表面耗尽区宽 度达到最大. 因此, 表面耗尽区的最大宽度xdT 2/1)2(2 afp dTqNxye=)ln(ia TnNVfp=y= qEEFFi其中掺杂浓度越高, 耗尽层宽度越小.EFEV半导体表面EgfpyqyqSqyxdp半导体氧化层EFiECSiGaAs1410151016101710181001. 01 . 01103cm/N杂质浓度m/m耗尽区最大宽度W例*一掺杂浓度NA=1016cm-3的理想MOS二极管, 计算其表面耗尽层的最大宽度.掺杂浓度NA=1017cm-3时, 重新计算耗尽层的最大宽度(T=300K)ln(Na/ni)TVfp=y= qEEFFi=0.347V耗尽层最大宽度:1/2)2(2 afp dTqNxye=0.3m解: NA=1016cm-3时 NA=1017cm-3时=0.409Vln(Na/ni)TVfp=y= qEEFFi耗尽层最大宽度:1/2)2(2 afp dTqNxye=0.1m3. 功函数差*EFmqSq真空能级SiO2qq真空能级9eVqcEFEVECqciEVECEFiP-Si独立金属/半导体/氧化物的能带图独立状态下, 所有能带均 保持水平-平带状况. 三者结 合在一起, 热平衡状态下, 费 米能级为定值, 真空能级连续, 为调节功函数差, 半导体能带 需向下弯曲, 如图m修正金属功函数:从金属向 SiO2导带注入电子所需能量. c-修正半导体电子亲和能Vox0-零删压时SiO2上的电势差.s0-表面势.热平衡下MOS能带图EVEFEV真空能级qmqSqmEFEFiECqcqcqVox0qciqs0qfp热平衡时,半导体表面为 负电荷, 金属含正电荷. 功函数差热平衡下MOS能带图EVEFEV真空能级qmqSqmEFEFiECqcqcqVox0qciqs0qfp由热平衡下MOS的能带图021 sfpgiqqEqxxq+=00oximoxmqVqxqqVq+=+002sfpg oxmqqExqqVq+=+)2(00fpg msoxExV+=+=ms金属-半导体功函数功函数差应用中常用简并掺杂多晶硅作栅极.图(a),(b)分别为n+和p+多晶硅 作栅极时的零删压能带图.其金属-半导体功函数分别为:n+多晶硅:P+多晶硅:)2()2()(fpg fpgg mseEeExeEx=+=)2()2(fpg fpg mseEeExx+=+=4.平带电压平带电压: 使半导体内没有能带弯曲所需加上的栅压.为达到理 想平带状况, 需外加一相当于功函数差qms的电压. 平带时MOS能带图前面讨论中假设SiO2中净电荷密度=0.实际上MOS二极管受氧 化层内电荷及SiO2-Si界面 陷阱的影响.陷阱电荷包括 界面陷阱电荷/氧化层固定 电荷/氧化层陷阱电荷及可 动离子电荷. 界面陷阱电荷Qit由SiO2-Si界面特性造成, 与界面处化学键有 关, 而其能量位于硅的禁带中. 界面陷阱密度与晶体方向有关. 方向, 界面陷阱密度约比方向少1个数量级.+ + +aN+K可动离子电荷 )(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷+ + +aN+K可动离子电荷 (Qm) )(otQ氧化层陷阱 电荷)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷陷阱电荷*氧化层固定电荷Qf位于距离界面3nm处. 此电荷固定不动, 即使表面电势有较大变化仍不会有充放电现象. 一般Qf为正值, 与氧化/退火等条件及硅晶体方向有关. 一般认为氧化停止时, 一些离子化的硅留在界面处, 这些离子与表面未完全成键的硅 结合(如Si-Si或Si-O键), 可能导致正的界面电荷Qf产生.+ + +aN+K可动离子电荷 )(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷+ + +aN+K可动离子电荷(Qm) )(otQ氧化层陷阱 电荷)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷Qf可视为是SiO2-Si界面处 的电荷层. 对精心处理的SiO2- Si界面, 其氧化层固定电荷量 在方向约为1010cm-2; 而 在方向约为51010cm-2. 由于方向具有较低的Qit 与Qf常用硅基MOSFET. 陷阱电荷*氧化层陷阱电荷Qot随二氧 化硅的缺陷产生, 这些电荷可由 如X光辐射或高能电子轰击产 生. 这些陷阱分布于氧化层内部 , 大部分与工艺有关, 可低温退 火加以去除+ + +aN+K可动离子电荷 )(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷+ + +aN+K可动离子电荷(Qm) )(otQ氧化层陷阱 电荷)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷钠或其他碱金属离子的可动离子电荷Qm, 在高温(如100) 或强电场条件下, 可在氧化层内移动.在高偏压及高温环境下, 碱金属离子的污染, 会降低半导体器 件的稳定度. 其离子可在氧化层内来回移动, 使得C-V曲线沿电压 轴产生位移. 因此, 在器件制作过程中需消除可动离子电荷. 陷阱电荷*单位面积电荷数QSS: 假设单位面积等价陷阱电荷QSS位于SiO2 层中且与SiO2-Si界面附近(忽略其他类型的电荷).下面将估算上述电荷对平带电压所产生的影响.x0E0金属氧化层xP-SirsVG=0(零删压)时电荷 与电场分布图示为零删压时MOS中电荷 与电场分布. SiO2层中的正电荷在 金属与半导体内感应一些负电荷. 对泊松方程式做一次积分, 可得到 电场的分布情形, 如下图所示. 此 处假设没有功函数差, 即qms=0零删压时: Vox0+s0=-ms平带电压为达到平带状态(即半导体内无感应 电荷), 须在金属上加负电压. 负电压增加 时,金属获得更多的负电荷, 电场向下偏移 , 直到半导体表面的电场为零.此时半导体 表面净电荷=0.氧化层xP-Si0rsdx0QmQss平带MOS电荷分布0x0 xEVFB -E0若加删压VG,氧化层的电势差和半导 体表面势将发生变化mssoxV+=ssoxoxSoxGVVVV+=D+D=)()(00Qm+Qss=0设单位面积删氧化层电容为Cox Vox=Qm/Cox平带时, 表面势s=0 VG=VFB=ms-Qss/Cox平带电压*氧化层xP-Si0rsdx0QmQss平带MOS电荷-电场分布0x0 xEVFB -E0d: 氧化层厚度; x0:陷阱电荷距金属表面的距离.平带时, 半导体内无感应净电荷, 电 场分布在金属表面至陷阱电荷的SiO2 层中, 其面积即为平带电压VFB: 可见VFB与陷阱电荷密度Qss及在氧化层 中的位置xo有关. 当陷阱电荷非常靠近金属dCxQxQxEVOOss o oxss OOFB=e时,即xo=0, 将无法在Si中感应出电荷, 不会对VFB造成影响. 反之, 陷阱电荷非常靠近半导体时, 即xo=d, 将对VFB产生最大影响力, 并 将平带电压提升为: 0ss0CQ dCdQssVFB=5. 阈值电压阈值电压是MOSFET最重要的参数之一, 定义为达到阈值反 型点时所需的删压.它反映了在表面势s=2fp(p型)或s=2fn(n型 )时器件的状