半導體器件物理-MOSFET

1、西安電子科技大學西安電子科技大學 XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第四章第四章 MOSMOS場效應晶體管場效應晶體管MOSFETMOSFET的預備知識的預備知識 2021-9-271場效應器件物理場效應器件物理2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的預備知識的預備知識 MOS電容電容氧化層厚度氧化層厚度氧化層介電常數(shù)氧化層介電常數(shù)Al或高摻雜的或高摻雜的多晶多晶Sin型型Si或或p型型SiSiO2MOS結構具有結構具有Q隨隨V變化的電容效應，形成變化的電容效應，形成MOS電容電容2021-9-27XIDIAN UN

2、IVERSITY 4.0 MOSFET的預備知識的預備知識 平行板電容平行板電容p平行板電容：平行板電容：u上下金屬極板，中間為絕緣材料上下金屬極板，中間為絕緣材料u單位面積電容：單位面積電容：u外加電壓外加電壓V，電容器存儲的電荷：，電容器存儲的電荷：Q=CV，氧化層兩側電場，氧化層兩側電場E=V/dpMOS結構：具有結構：具有Q隨隨V變化的電容效應，變化的電容效應， 形成形成MOS電容電容d/oxC2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的預備知識的預備知識 能帶圖能帶圖p能帶結圖：能帶結圖：u描述靜電偏置下描述靜電偏置下MOS結構的內部狀態(tài)，分價帶、導帶

3、、禁帶結構的內部狀態(tài)，分價帶、導帶、禁帶u晶體不同，能帶結構不同，能帶寬窄，禁帶寬度大小不同晶體不同，能帶結構不同，能帶寬窄，禁帶寬度大小不同u金屬（價帶、導帶交疊：金屬（價帶、導帶交疊：EF）、氧化物（）、氧化物（Eg大）、半導體（大）、半導體（ Eg ?。┬。﹑半導體摻雜類型不同、濃度不同，半導體摻雜類型不同、濃度不同，EF的相對位置不同的相對位置不同導帶底能級導帶底能級禁帶中心能級禁帶中心能級費米能級費米能級價帶頂能級價帶頂能級2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的預備知識的預備知識 表面勢和費米勢表面勢和費米勢p費米勢：半導體體內費米能級費米勢：半

4、導體體內費米能級 與禁帶中心能級之差的電勢表示，與禁帶中心能級之差的電勢表示，p表面勢表面勢 ：半導體表面電勢與體內電勢之差，：半導體表面電勢與體內電勢之差，u能級的高低代表了電子勢能的不同，能級越高，電子勢能越高能級的高低代表了電子勢能的不同，能級越高，電子勢能越高u如果表面能帶有彎曲，說明表面和體內比：電子勢能不同，即電勢不同，如果表面能帶有彎曲，說明表面和體內比：電子勢能不同，即電勢不同，p采用單邊突變結的耗盡層近似，耗盡層厚度：采用單邊突變結的耗盡層近似，耗盡層厚度：sP型襯底型襯底禁帶中心能級禁帶中心能級費米能級費米能級fnfp，2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY

5、4.0 MOS電容電容 表面電荷面電荷密度表面電荷面電荷密度p一塊材料，假如有均勻分布的電荷，濃度為一塊材料，假如有均勻分布的電荷，濃度為N，表面積為，表面積為S，厚度為，厚度為dp材料總電荷為材料總電荷為Q=p表面表面S單位面積內的電荷（面電荷密度）單位面積內的電荷（面電荷密度）Q=SdNdSeNdeN2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 理想理想MOS MOS 電容結構特點電容結構特點2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:p:p型襯底型襯底(1)(1)負柵壓情形負柵壓情形VFSEEp負柵壓

6、負柵壓多子積累多子積累狀態(tài)狀態(tài)u電場作用下，體內多子順電場方向被吸引到電場作用下，體內多子順電場方向被吸引到S表面積累表面積累p能帶變化：空穴在表面堆積，能帶上彎，能帶變化：空穴在表面堆積，能帶上彎， 0 xd：空間電荷區(qū)（耗盡層、勢壘區(qū)）的寬度：空間電荷區(qū)（耗盡層、勢壘區(qū)）的寬度p半導體表面處，耗盡層面電荷密度半導體表面處，耗盡層面電荷密度Qdep=e Naxdu正柵壓正柵壓，增大的電場使更多的多子耗盡，增大的電場使更多的多子耗盡， xd，能帶下彎增加，能帶下彎增加 sFiFSEE2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:p:p型襯底

7、型襯底(2)(2)dTXFiFSEEp大的正柵壓大的正柵壓反型反型狀態(tài)狀態(tài)能帶下彎程度能帶下彎程度，表面，表面 EFi 到到 EF下，表面具下，表面具n型。型。 u柵壓增加，柵壓增加， 增大，更多的多子被耗盡，增大，更多的多子被耗盡，Qdep （=e Naxd）增加）增加u同時同時P襯體內的電子被吸引到表面，表面反型電子襯體內的電子被吸引到表面，表面反型電子Qinv積累，反型層形成積累，反型層形成u反型層電荷面密度反型層電荷面密度Qinv=e nsxinvp柵壓柵壓，反型層電荷數(shù)，反型層電荷數(shù)Qinv增加，增加， 反型層電導受柵壓調制反型層電導受柵壓調制大的正柵壓情形大的正柵壓情形s2021-

8、9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 表面反型層電子濃度與表面勢的關系表面反型層電子濃度與表面勢的關系kTnkTEEnnsiis）（fpFiFeexpexpp反型層電荷濃度：反型層電荷濃度：P型襯底型襯底a0pfpfp2eexpNPkTni）（p閾值閾值反型點反型點： 表面勢表面勢= 2倍費米勢，表面處電子濃度倍費米勢，表面處電子濃度=體內空穴濃度體內空穴濃度p閾值電壓：閾值電壓： 使半導體表面達到使半導體表面達到閾值反型點閾值反型點時的時的柵電壓柵電壓2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :

9、表面反型情形表面反型情形p閾值反型點表面電荷特點：閾值反型點表面電荷特點：u濃度：濃度： ns =PP0；u厚度：厚度： 反型層厚度反型層厚度Xinv耗盡層厚度耗盡層厚度Xdp反型層電荷反型層電荷Qinv= ens Xinv Qdep = eNa Xd P型襯底型襯底例如：若例如：若Na=1016/cm3，柵氧厚度為，柵氧厚度為30nm，計算可得：計算可得：fp=0.348V，Xd0.3m，Xd 4nm，由此得，由此得Qdep=-5.510-8/cm2, Qinv = -6.510-10/cm2因此表面電荷面密度為：因此表面電荷面密度為：Q-=Qdep+QinvQdep2021-9-27XID

10、IAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 表面反型層電子濃度與表面勢的關系表面反型層電子濃度與表面勢的關系316316cm101V695. 02V347. 0K300cm101sfpsfpanTN反型實例：tsaisVNnnexp2kTnkTEEnnsiis）（fpFiFeexpexpp閾值反型點后，閾值反型點后，VG增加：增加：表面處可動電子電荷濃度在表面處可動電子電荷濃度在ns =PP0基礎上指數(shù)迅速大量增加：基礎上指數(shù)迅速大量增加：表面勢增加表面勢增加0.12V，則，則ns=100PP0，而而Xdep只增加約只增加約8%，很小，原因？，很小，原因？2021-9-27XIDIA

11、N UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:p:p型襯底型襯底(2)(2)p閾值反型后，閾值反型后， xd最大值最大值XdT不再擴展：不再擴展：u表面處總的負電荷表面處總的負電荷面密度面密度Q-=Qdep+Qinvp 強反型后，若強反型后，若VG進一步進一步S表面處可動電子電荷濃度在表面處可動電子電荷濃度在ns =PP0基礎上指數(shù)增加基礎上指數(shù)增加表面處負電荷的增加表面處負電荷的增加Q-主要由主要由ns貢獻貢獻Qdep基基本不變本不變表面耗盡層寬度表面耗盡層寬度Xd基本不變，在基本不變，在閾值反型點閾值反型點開始開始 達到達到最大最大XdTp強反型后，增加的強反型后

12、，增加的VG基本上用于改變柵氧化層兩側壓降基本上用于改變柵氧化層兩側壓降VOX，反型反型電荷電荷Qn=COX(VG-VT)增多，增多，s改變量很小，改變量很小，耗盡層電荷耗盡層電荷近乎不變近乎不變2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 平帶電壓平帶電壓: :定義定義o平帶電壓平帶電壓VFB （flat-band voltage）u 定義：使半導體表面定義：使半導體表面能帶無彎曲能帶無彎曲需需 施加的施加的柵電壓柵電壓u 作用：抵消金屬與半導體之間的作用：抵消金屬與半導體之間的功函數(shù)功函數(shù)差差和和 氧化層中的氧化層中的正電荷正電荷對半導體表面對半導體表面的影

13、響的影響pMOS電容電荷塊圖：電容電荷塊圖：采用方形塊近似表示電荷分布采用方形塊近似表示電荷分布p若金屬和半導體內部電場為若金屬和半導體內部電場為0，根據(jù)高斯定律，根據(jù)高斯定律，MOS器件中的總電荷必須為器件中的總電荷必須為0，即正負電荷的面積應相等即正負電荷的面積應相等2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 功函數(shù)差功函數(shù)差:MOS:MOS接觸前的能帶圖接觸前的能帶圖金屬的功函數(shù)金屬的功函數(shù)金屬的費米能級金屬的費米能級硅的電子親和能硅的電子親和能fpgFsseEeEEW20)2(fpgmsmmseEeWWmFmmeEEW0p功函數(shù)：起始能量等于功函數(shù)：起

14、始能量等于EF的電子，由材料內部逸出體外到真空所的電子，由材料內部逸出體外到真空所 需最小能量。需最小能量。p金屬的功函數(shù)：金屬的功函數(shù)：p半導體的功函數(shù)半導體的功函數(shù)p金半功函數(shù)差（電勢表示）金半功函數(shù)差（電勢表示）2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 功函數(shù)差功函數(shù)差:MOS:MOS結構的能帶圖結構的能帶圖條件：零柵壓，條件：零柵壓， 熱平衡熱平衡p接觸之后能帶圖的變化：接觸之后能帶圖的變化： uMOS成為統(tǒng)一系統(tǒng)，成為統(tǒng)一系統(tǒng)， 0柵壓下熱平衡狀態(tài)有統(tǒng)一的柵壓下熱平衡狀態(tài)有統(tǒng)一的EF uSiO2的能帶傾斜的能帶傾斜u半導體一側能帶彎曲半導體一側能帶

15、彎曲p原因：金屬半導體原因：金屬半導體ms不為不為0 零柵壓下氧化物零柵壓下氧化物二側的電勢差二側的電勢差零柵壓下半導體的零柵壓下半導體的表面勢表面勢2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 平帶電壓平帶電壓p氧化層中存在的正電荷氧化層中存在的正電荷u可動電荷：工藝引入的金屬離子可動電荷：工藝引入的金屬離子u陷阱電荷：輻照陷阱電荷：輻照u界面態(tài)：界面態(tài)：SiSio2界面界面Si禁帶中的能級禁帶中的能級u氧化層中氧化層中SiSio2界面存在的正的固定電荷界面存在的正的固定電荷p 氧化層內的所有正電荷總的面電荷密度氧化層內的所有正電荷總的面電荷密度用用QSS等效

16、，等效，p 位置上靠近氧化層和半導體界面位置上靠近氧化層和半導體界面2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 平帶電壓平帶電壓pQSS對對MOS系統(tǒng)的影響系統(tǒng)的影響u正正 Qss在在M和和S表面感應出負電荷表面感應出負電荷uS表面出現(xiàn)負電荷（耗盡的表面出現(xiàn)負電荷（耗盡的Na- 、電子），能帶下彎，、電子），能帶下彎，P襯表面襯表面向耗盡、反型過渡向耗盡、反型過渡oxssmsGFBCQVVs|0p若若 ms 0，則，則VFB0,p如果沒有功函數(shù)差及氧化層電荷如果沒有功函數(shù)差及氧化層電荷,平帶電壓為多少平帶電壓為多少?p 平帶電壓平帶電壓VFB ：使半導體表面能

17、帶：使半導體表面能帶無彎無彎 曲需施加的柵電壓曲需施加的柵電壓,u抵消金屬與半導體之間的抵消金屬與半導體之間的功函數(shù)差功函數(shù)差和和 氧化層氧化層正電荷正電荷對半導體表面的影響對半導體表面的影響4.0 MOS電容電容 平帶電壓平帶電壓XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 閾值電壓閾值電壓: :定義定義2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY p閾值電壓：半導體表面達到閾值電壓：半導體表面達到閾值反型點閾值反型點時所需的柵壓時所需的柵壓VG， VT：VTN,VTPp半導體表面強反型，可認為半導體表面強反型，可認為MOSFET溝道形成溝道形成uVGVTN： s=VT

18、N：s=2fp，襯底表面強反型，溝道形成，襯底表面強反型，溝道形成表面勢表面勢=費米勢的費米勢的2倍倍XIDIAN UNIVERSITY 2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 閾值電壓閾值電壓: :公式推導公式推導功函數(shù)差功函數(shù)差Vox0+ s0=- ms)(電荷摻雜濃度，氧化層固定柵氧化層電容，半導體fTNV|QSDmax|=e NaXdT msfpoxCssQoxCQSVfpoxCQSSVVsVVTNVSDfps2|)0ox0(2m0ox0oxTox2|GmaxoxCmQCQoxTV柵氧化層電壓ssSDmTnSDssmTnSDssmTQQQQQQQQ

19、QQQ|(max)|(max)|0(max)電中性條件XIDIAN UNIVERSITY 2021-9-274.0 MOS電容電容 閾值電壓影響因素閾值電壓影響因素: :柵電容柵電容pCOX影響影響：COX越大，則越大，則VTN越?。辉叫。籾物理過程：物理過程：COX越大，同樣越大，同樣VG在半導體表面感應的在半導體表面感應的電荷越多，電荷越多， 達到閾值反型點所需達到閾值反型點所需VG越小，易反型。越小，易反型。pCOX提高途徑：提高途徑：u45nm工藝前，減薄柵氧化層厚度工藝前，減薄柵氧化層厚度;u45nm工藝后，選擇介電常數(shù)大的絕緣介質工藝后，選擇介電常數(shù)大的絕緣介質msfpoxCssQ

20、oxCSDQTNV2|max|閾值電壓ssQ|SD|QmaxXIDIAN UNIVERSITY 2021-9-27XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 閾值電壓影響因素閾值電壓影響因素: :摻雜濃度摻雜濃度|QSDmax|=e NaXdTpNa影響影響：Na越小，則越小，則VTN越?。辉叫。籾物理過程：物理過程：Na越小，達到反型所需耗盡的多子越越小，達到反型所需耗盡的多子越少，少， QSDmax越小，半導體表面易反型。越小，半導體表面易反型。 p問題問題：假定半導體非均勻摻雜，影響假定半導體非均勻摻雜，影響VT的是哪部分半導體的濃度？的是哪部分半導體的濃度？ u氧化層下方的半導體摻雜濃度影響氧化層下方的半導體