微米MOS與MOSFET

1、微米MOS與MOS場效應(yīng)晶體管14721801俞靜婷言引OMS金屬氧化物半導(dǎo)體利用半導(dǎo)體的表面效應(yīng)制造出有實(shí)用價值的器件引言引言 結(jié)構(gòu) 應(yīng)用文獻(xiàn)1 Fabrication of Silicon MOSFETs Using Soft Lithography 來源：Advanced Materials 1998, 10, No.17 軟刻蝕技術(shù)：非光刻圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，接觸印刷和聚合物成型；關(guān)鍵：關(guān)鍵：在圖形轉(zhuǎn)移步驟中，最小化彈性模具的變形，對半導(dǎo)體材料表面不造成污染。 Micromolding in capillaries, MIMIC High electron mobility transist

2、ors (HEMTs)文獻(xiàn)1-p溝道增強(qiáng)型MOSFETp-MOSFET橫斷面剖視圖器件頂視圖文獻(xiàn)11.理想的MOS結(jié)構(gòu)及其表面電荷區(qū) 基本結(jié)構(gòu)： 鋁柵鋁柵N溝道溝道MOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 增強(qiáng)型與耗盡型：一般增強(qiáng)型。a)增強(qiáng)型：原始結(jié)構(gòu)中無溝道。b)耗盡型：在制作為成品之后，已存在導(dǎo)電溝道。c)N溝增強(qiáng)型：依靠離子注入技術(shù)和清潔氧化物技術(shù)。早期的N溝道的原因是氧化物中正電荷的作用，類似VG作用，產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。1-1.MOS管基本結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理：以N溝道增強(qiáng)為例a)柵上施加+VGb)+VG作用感生N型溝道（耗盡展寬反型）c)在VDS的作用下出現(xiàn)漏電流IDS 特性曲線：MOS有開

3、啟電壓VT當(dāng)VGVT時，才能建立溝道。1-1.MOS管基本結(jié)構(gòu)及工作原理MOS的內(nèi)夾斷電壓稱為開啟電壓，閾值電壓 對理想的MOS結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下：a)絕緣體足夠好，電流不從柵流向半導(dǎo)體，沒有電流時，整個MOS處于熱平衡態(tài)；b)在氧化物及氧化物半導(dǎo)體界面均不存在電荷；c)半導(dǎo)體與金屬的功函數(shù)差為零。以上三點(diǎn)假設(shè)為討論MOS整個系統(tǒng)提供方便，對于MOS電容同樣有此假設(shè)。 理想MOS電容：把MOS結(jié)構(gòu)看作電容器，SiO2為介質(zhì)層，當(dāng)施加-VG時，就感生電荷密度為QS，金屬柵上 1-2.理想MOS結(jié)構(gòu)假設(shè)及表面勢SSOSOOOGQKKQKO： SiO2 介電常數(shù)；oo： 自由空間電容率；o： SiO2

4、中場強(qiáng)；KS： 半導(dǎo)體介電常數(shù)；S： 半導(dǎo)體表面處電勢。半導(dǎo)體一側(cè)平板電容器充電 理想MOS結(jié)構(gòu)中電場分布:VG為外加?xùn)艍?；右圖為VG在三層中的情況；VG=VO+SVO 為跨越氧化層電勢；S 為表面勢。 表面勢:在MOS結(jié)構(gòu)中，VG在半導(dǎo)體表面層深入一定的深度，電勢也逐漸減至零。電場的降低使電勢相應(yīng)的變化， ，這種在表面產(chǎn)生一個電勢差，即表面勢。1-2.理想MOS結(jié)構(gòu)假設(shè)及表面勢dxdV 載流子的積累：a) 當(dāng)柵上施加-VG ，這種形成負(fù)的表面勢能帶向上彎曲；b) EV向上與Ef更接近，說明空穴濃度增加；c) 由載流子濃度式：1-3.理想MOS中電勢對半導(dǎo)體表面影響kTEEiifennkTEE

5、ifienppnpEEnpnEEfiifd) 在半導(dǎo)體表面：對于P-Si，由于-VG使能帶向上彎曲，造成半導(dǎo)體表面的多子空穴濃度大于體內(nèi)平衡濃度，稱此是載流子的積累態(tài)。e) 多子積累時MOS系統(tǒng)能帶圖 載流子的耗盡：a)當(dāng)柵上施加電壓+VG(正表面勢)，產(chǎn)生附加能-qs。 半導(dǎo)體表面處能帶將會向下彎曲， EC-qs；b)由于能帶向下彎曲，EiEf值減少，可使半導(dǎo)體表面載流子空穴減少至零，表面載流子降至零的情況，稱之為“載流子耗盡”；c)表面的耗盡使負(fù)的受主離子呈現(xiàn)半導(dǎo)體表面(-qNa)，在表面處耗盡層寬度為Xd，可采用PN結(jié)耗盡層計算公式；d)表面電荷：-QS=-qNaXde)載流子耗盡能帶圖

6、：1-3.理想MOS中電勢對半導(dǎo)體表面影響 載流子的反型（半導(dǎo)體表面反型）a)當(dāng)柵上施加較大電壓+VG（正表面勢），彎曲更明顯。b)Ei小于Ef，可使半導(dǎo)體表面處變成n型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)，稱之為反型反型層。c)感生PN結(jié)（感生溝道）當(dāng)表面反型為N型，體內(nèi)為P型，構(gòu)成感生PN結(jié)；由于感生的N區(qū)是MOS晶體管的溝區(qū)，又稱此溝區(qū)為MOS感生溝道；此感生的PN結(jié)，由于N區(qū)的濃度比半導(dǎo)體內(nèi)多子濃度還要大得多，稱此為強(qiáng)反型；強(qiáng)反型時的感生PN結(jié)，類似半導(dǎo)體N+/P結(jié)，即N型高摻雜的單邊突變結(jié)，因此有關(guān)計算可用單邊突變結(jié)公式。1-3.理想MOS中電勢對半導(dǎo)體表面影響 弱反型 EfEi出現(xiàn)反型后，表面的電子濃度

7、ns仍小于體內(nèi)的空穴濃度，ns VGsi，VGsiVG VG用于增強(qiáng)反型層內(nèi)電子濃度而Xdm不變當(dāng)MOS結(jié)構(gòu)理用于MOS晶體管時，VGsi相當(dāng)于開啟電壓VT（所指N溝道增強(qiáng)型）2. MOS電容及C-V曲線 外加電壓的作用VG，VO為降落在絕緣層上電壓S為半導(dǎo)體上的電壓降（表面勢） VG與半導(dǎo)體表面參量QS，S關(guān)系MOS為理想結(jié)構(gòu)，絕緣層內(nèi)電場均勻分布，以0表示系統(tǒng)單位面積的微分電容微分電容C與外加偏壓VG的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容電壓特性。2-1.MOS電容結(jié)構(gòu)及等效電路SOGVV0oOxVGMdVdQC 若令 則CO=絕緣層單位面積上的電容CS=半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容C/CO稱為系

8、統(tǒng)的歸一化電容。2-1.MOS電容結(jié)構(gòu)及等效電路MsMOMGdQddQdVdQdVC1OMdVdQCOSSSMSddQddQCSCCC111OSOCCCC11OOOMOxkdVdQC002-2.MOS電容的分階段解釋 P型半導(dǎo)體MOS的C-V特性AB段MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容CO。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐漸減少時，空間電荷區(qū)積累的空穴數(shù)隨之減少，并且QS隨S的變化也逐漸減慢，CS變小?？傠娙軨也就變小。 由摻雜濃度和氧化層厚度確定OsDOFBxkLkCC011CD段氧化層電容 ，代入 ，又 ，解出 隨隨VG的增加而減小的增加而減小dSSSSxkddQC00011xkxkCCSdS2-2.

9、MOS電容的分階段解釋OSOCQVSGVV0SSGCQV0daBSxqNQQ022sdaSkxqN200000021SSGdSakkVXCCCqkN 2121202000202121GSaGSaOVxkqNkVkqNCCC2-2.MOS電容的分階段解釋SSsddQCSBSIddQddQ當(dāng)外加電壓增大到使表面耗盡層得到最大值,表面出現(xiàn)反型層第二項(xiàng)趨于零，這時C/CO1出現(xiàn)反型后，產(chǎn)生少子堆積，大量電子聚集半導(dǎo)體表面處，絕緣層兩邊堆積著電荷DE段當(dāng)信號頻率較高高時，反型層中電子的產(chǎn)生將跟不上高頻信號的變化，即反型層中的電子的數(shù)量不能隨高頻信號而變，因此，高頻信號時，反型層中的電子對電容沒有貢獻(xiàn)DG

10、段fsi23.MOS晶體管的溝道電導(dǎo)及閾值電壓3-1.反型層與MOSFET的溝道 正VG的半導(dǎo)體強(qiáng)反型時對應(yīng)的溝道圖像 溝道的幾何圖形P溝道MOS晶體管3-2.溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo)密度電子數(shù)溝道寬度 當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)反型時，即從上式可見，只有當(dāng)VGVTH時，才會出現(xiàn)負(fù)的感應(yīng)溝道電荷QZ，VTH稱為閾值電壓。3-2.溝道電導(dǎo)00000,()()ssisIBsBGsiBIGsiGTHQQQQQVCCQQC VC VVC 從VG可以得到VTH， 對于強(qiáng)反型的溝道，臨界條件： 閾值電壓定義：當(dāng)形成強(qiáng)反型時，其能帶結(jié)構(gòu)滿足 時的柵電壓，VG稱為閾值電壓VTH即 其物理意義：a)VTH用去支撐空間電荷，生出體電荷QB

11、b)滿足 的條件c)表面電子濃度nS=PP0 當(dāng)VGVTH時，是形成強(qiáng)反型時所需要的最小柵電壓。3-3.MOS的閾值電壓0sGsQVC 2sf2sf02BTHfQVC 2sf 強(qiáng)反型的情況，即在大柵壓情況下： 表明VG對gi貢獻(xiàn)是線性增大作用。3-4.溝道電導(dǎo)與柵電壓關(guān)系0InGTHZCVVLg4.平帶電壓與閾值電壓 對理想MOS的平帶點(diǎn)是VG=0時； 平帶點(diǎn)條件的能帶結(jié)構(gòu)： 平帶的理想條件，理想的MOS假設(shè)：a)Si與SiO2界面均無電荷；b)忽略了MOS金半功函數(shù)差 實(shí)際MOS的平帶點(diǎn)：4-1.MOS的C-V曲線平帶點(diǎn) 金-半功函數(shù)差的存在對MOS系統(tǒng)好比存在一個寄生電場 寄生電場的作用W

12、SiWM對半導(dǎo)體表面有作用，使表面能帶彎曲 寄電場的大小V=-(WSi-WM)/q同-qS作用一樣，它能使半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲。 要抵消-qV影響必須在金屬上外加電壓，使半導(dǎo)體恢復(fù)平帶，注意VFB (金半功函數(shù)之差)4-2.金-半功函數(shù)對MOS C-V的影響msMsiFBqWWV4-3.SiO2中正電荷對C-V影響 SiO2中正電荷種類1.可移動離子電荷，來源于工藝沾污2.氧氧化物陷阱電荷，來源于輻射的影響3.氧化物固定正電荷，來源于SiO2生長中過剩硅4.界面陷阱正電荷，來源于斷價鍵在四種正電荷中，影響最大，含量最多，來源最多的是可移動離子電荷，通常是Na+和K+等離子，可在高溫下自由移動

13、，而第3、4種電荷與半導(dǎo)體晶軸方向有關(guān)，通常在(100)方向密度最小熱氧化硅形成的Si-SiO2系統(tǒng)中的各類電荷 在MOS系統(tǒng)中，VG0，SiO2中正電荷作類似寄生電荷作用SiO2中正電荷對平帶電壓影響，將SiO2中正電荷對平帶影響用平帶電壓VFB表示若QO移向靠近半導(dǎo)體一側(cè)，則x=xO，VFB(I)=-QO/CO，若Q屬分散型電荷，則： 當(dāng)恢復(fù)平帶時，金屬柵上必須加外電壓以抵消SiO2中正電荷對半導(dǎo)體表面的作用4-3.SiO2中正電荷對C-V影響xkQVOIFB0)(OOOOOOIFBxcxQxxQkxV)(0)( dxxxxcVdVOxOOFBIFB0)(1 理想下 非理想下，必須將ms，

14、VFB(I)考慮其中 將非理想條件的閾值電壓看作：VTH+VTH，則1.第一項(xiàng)是為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓；2.第二項(xiàng)是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；3.第三項(xiàng)是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時的體電荷所需要的外加電壓；4.第四項(xiàng)是開始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。4-4.在非理想條件下MOS的閾值電壓fBTHCQV20）2）（000)非(fBmsTHCQCQV Dielectrophoresis and Chemically Mediated Directed Self-Assembly of Micrometer-Scale Three-Terminal Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transi