半導(dǎo)體器件物理-MOSFET

1、西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第四章第四章 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFETMOSFET的預(yù)備知識(shí)的預(yù)備知識(shí) 2022-3-61場(chǎng)效應(yīng)器件物理場(chǎng)效應(yīng)器件物理2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的預(yù)備知識(shí)的預(yù)備知識(shí) 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(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)具有Q隨隨V變化的電容效應(yīng)，形成變化的電容效應(yīng)，形成MOS電容電容2022-3-6XIDIAN UNIVE

2、RSITY 4.0 MOSFET的預(yù)備知識(shí)的預(yù)備知識(shí) 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：?jiǎn)挝幻娣e電容：u外加電壓外加電壓V，電容器存儲(chǔ)的電荷：，電容器存儲(chǔ)的電荷：Q=CV，氧化層兩側(cè)電場(chǎng)，氧化層兩側(cè)電場(chǎng)E=V/dpMOS結(jié)構(gòu)：具有結(jié)構(gòu)：具有Q隨隨V變化的電容效應(yīng)，變化的電容效應(yīng)， 形成形成MOS電容電容d/oxC2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的預(yù)備知識(shí)的預(yù)備知識(shí) 能帶圖能帶圖p能帶結(jié)圖：能帶結(jié)圖：u描述靜電偏置下描述靜電偏置下MOS結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，分價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶結(jié)

3、構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，分價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶u晶體不同，能帶結(jié)構(gòu)不同，能帶寬窄，禁帶寬度大小不同晶體不同，能帶結(jié)構(gòu)不同，能帶寬窄，禁帶寬度大小不同u金屬（價(jià)帶、導(dǎo)帶交疊：金屬（價(jià)帶、導(dǎo)帶交疊：EF）、氧化物（）、氧化物（Eg大）、半導(dǎo)體（大）、半導(dǎo)體（ Eg ?。┬。﹑半導(dǎo)體摻雜類型不同、濃度不同，半導(dǎo)體摻雜類型不同、濃度不同，EF的相對(duì)位置不同的相對(duì)位置不同導(dǎo)帶底能級(jí)導(dǎo)帶底能級(jí)禁帶中心能級(jí)禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的預(yù)備知識(shí)的預(yù)備知識(shí) 表面勢(shì)和費(fèi)米勢(shì)表面勢(shì)和費(fèi)米勢(shì)p費(fèi)米勢(shì)：半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米勢(shì)：半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)

4、米能級(jí) 與禁帶中心能級(jí)之差的電勢(shì)表示，與禁帶中心能級(jí)之差的電勢(shì)表示，p表面勢(shì)表面勢(shì) ：半導(dǎo)體表面電勢(shì)與體內(nèi)電勢(shì)之差，：半導(dǎo)體表面電勢(shì)與體內(nèi)電勢(shì)之差，u能級(jí)的高低代表了電子勢(shì)能的不同，能級(jí)越高，電子勢(shì)能越高能級(jí)的高低代表了電子勢(shì)能的不同，能級(jí)越高，電子勢(shì)能越高u如果表面能帶有彎曲，說明表面和體內(nèi)比：電子勢(shì)能不同，即電勢(shì)不同，如果表面能帶有彎曲，說明表面和體內(nèi)比：電子勢(shì)能不同，即電勢(shì)不同，p采用單邊突變結(jié)的耗盡層近似，耗盡層厚度：采用單邊突變結(jié)的耗盡層近似，耗盡層厚度：sP型襯底型襯底禁帶中心能級(jí)禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)fnfp，2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MO

5、S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(nèi)的電荷（面電荷密度）單位面積內(nèi)的電荷（面電荷密度）Q=SdNdSeNdeN2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 理想理想MOS MOS 電容結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電容結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2022-3-6XIDIAN 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(fù)柵壓情形負(fù)柵壓情形VFSEEp負(fù)柵壓負(fù)柵壓多子積累多

6、子積累狀態(tài)狀態(tài)u電場(chǎng)作用下，體內(nèi)多子順電場(chǎng)方向被吸引到電場(chǎng)作用下，體內(nèi)多子順電場(chǎng)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(shì)壘區(qū)）的寬度：空間電荷區(qū)（耗盡層、勢(shì)壘區(qū)）的寬度p半導(dǎo)體表面處，耗盡層面電荷密度半導(dǎo)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(chǎng)使更多的多子耗盡，增大的電場(chǎng)使更多的多子耗盡， xd，能帶下彎增加，能帶下彎增加 sFiFSEE2022-3-6XIDIAN 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)

7、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(shí)同時(shí)P襯體內(nèi)的電子被吸引到表面，表面反型電子襯體內(nèi)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(dǎo)受柵壓調(diào)制反型層電導(dǎo)受柵壓調(diào)制大的正柵壓情形大的正柵壓情形s2022-3-6XIDIAN

8、 UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 表面反型層電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)系表面反型層電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)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(diǎn)反型點(diǎn)： 表面勢(shì)表面勢(shì)= 2倍費(fèi)米勢(shì)，表面處電子濃度倍費(fèi)米勢(shì)，表面處電子濃度=體內(nèi)空穴濃度體內(nèi)空穴濃度p閾值電壓：閾值電壓： 使半導(dǎo)體表面達(dá)到使半導(dǎo)體表面達(dá)到閾值反型點(diǎn)閾值反型點(diǎn)時(shí)的時(shí)的柵電壓柵電壓2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :表面反型情形表面反型情

9、形p閾值反型點(diǎn)表面電荷特點(diǎn)：閾值反型點(diǎn)表面電荷特點(diǎn)：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(jì)算可得：計(jì)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+QinvQdep2022-3-6XIDIAN UNIVERSI

10、TY 4.0 MOS電容電容 表面反型層電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)系表面反型層電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)系316316cm101V695. 02V347. 0K300cm101sfpsfpanTN反型實(shí)例：tsaisVNnnexp2kTnkTEEnnsiis）（fpFiFeexpexpp閾值反型點(diǎn)后，閾值反型點(diǎn)后，VG增加：增加：表面處可動(dòng)電子電荷濃度在表面處可動(dòng)電子電荷濃度在ns =PP0基礎(chǔ)上指數(shù)迅速大量增加：基礎(chǔ)上指數(shù)迅速大量增加：表面勢(shì)增加表面勢(shì)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？2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY

11、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(kuò)展：不再擴(kuò)展：u表面處總的負(fù)電荷表面處總的負(fù)電荷面密度面密度Q-=Qdep+Qinvp 強(qiáng)反型后，若強(qiáng)反型后，若VG進(jìn)一步進(jìn)一步S表面處可動(dòng)電子電荷濃度在表面處可動(dòng)電子電荷濃度在ns =PP0基礎(chǔ)上指數(shù)增加基礎(chǔ)上指數(shù)增加表面處負(fù)電荷的增加表面處負(fù)電荷的增加Q-主要由主要由ns貢獻(xiàn)貢獻(xiàn)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(diǎn)閾值反型點(diǎn)開始開始 達(dá)到達(dá)到最大最大XdTp強(qiáng)反型后，增加的強(qiáng)反型后，增加的VG基本上用于改變

12、柵氧化層兩側(cè)壓降基本上用于改變柵氧化層兩側(cè)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2022-3-6XIDIAN 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(dǎo)體表面定義：使半導(dǎo)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(dǎo)體之間的作用：抵消金屬與半導(dǎo)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(duì)半導(dǎo)體表面對(duì)半導(dǎo)體表面的影響的影響pMOS電容電荷塊圖

13、：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(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為若金屬和半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)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(fù)電荷的面積應(yīng)相等即正負(fù)電荷的面積應(yīng)相等2022-3-6XIDIAN 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(fèi)米能級(jí)金屬的費(fèi)米能級(jí)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)：起始能量等于EF的電子，由材料內(nèi)

14、部逸出體外到真空所的電子，由材料內(nèi)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(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)p金半功函數(shù)差（電勢(shì)表示）金半功函數(shù)差（電勢(shì)表示）2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 功函數(shù)差功函數(shù)差:MOS:MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖結(jié)構(gòu)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(dǎo)體一側(cè)能帶彎曲半導(dǎo)體一側(cè)能帶彎曲p原因：金屬半導(dǎo)體原因：金屬

15、半導(dǎo)體ms不為不為0 零柵壓下氧化物零柵壓下氧化物二側(cè)的電勢(shì)差二側(cè)的電勢(shì)差零柵壓下半導(dǎo)體的零柵壓下半導(dǎo)體的表面勢(shì)表面勢(shì)2022-3-6XIDIAN 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(dòng)電荷：工藝引入的金屬離子可動(dòng)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(jí)禁帶中的能級(jí)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(nèi)的所有正電荷總的面電荷密度氧化層內(nèi)的所有正電荷總的面電荷密度用用QSS等效，等效，p 位置上靠近氧化層和半導(dǎo)

16、體界面位置上靠近氧化層和半導(dǎo)體界面2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 平帶電壓平帶電壓pQSS對(duì)對(duì)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(yīng)出負(fù)電荷表面感應(yīng)出負(fù)電荷uS表面出現(xiàn)負(fù)電荷（耗盡的表面出現(xiàn)負(fù)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(dǎo)體表面能帶：使半導(dǎo)體表面能帶無彎無彎 曲需施

17、加的柵電壓曲需施加的柵電壓,u抵消金屬與半導(dǎo)體之間的抵消金屬與半導(dǎo)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(duì)半導(dǎo)體表面的影響對(duì)半導(dǎo)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2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY p閾值電壓：半導(dǎo)體表面達(dá)到閾值電壓：半導(dǎo)體表面達(dá)到閾值反型點(diǎn)閾值反型點(diǎn)時(shí)所需的柵壓時(shí)所需的柵壓VG， VT：VTN,VTPp半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型，可認(rèn)為半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型，可認(rèn)為MOSFET溝道形成溝道形成uVGVTN： s=VTN：s=2fp，襯底表面強(qiáng)反型，溝道形

18、成，襯底表面強(qiáng)反型，溝道形成表面勢(shì)表面勢(shì)=費(fèi)米勢(shì)的費(fèi)米勢(shì)的2倍倍XIDIAN UNIVERSITY 2022-3-6XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS電容電容 閾值電壓閾值電壓: :公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)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(dǎo)體fTNV|QSDmax|=e NaXdT msfpoxCssQoxCQSVfpoxCQSSVVsVVTNVSDfps2|)0ox0(2m0ox0oxTox2|GmaxoxCmQCQoxTV柵氧化層電壓ssSDmTnSDssmTnSDssmTQQQQQQQQQQQ|(max)|(max)|0(ma

19、x)電中性條件XIDIAN UNIVERSITY 2022-3-64.0 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??；越??；u物理過程：物理過程：COX越大，同樣越大，同樣VG在半導(dǎo)體表面感應(yīng)的在半導(dǎo)體表面感應(yīng)的電荷越多，電荷越多， 達(dá)到閾值反型點(diǎn)所需達(dá)到閾值反型點(diǎn)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(zhì)工藝后，選擇介電常數(shù)大的絕緣介質(zhì)msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|閾值電壓ssQ|SD|QmaxXIDIAN UNIVERSITY 2022-3-6XIDIAN 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??；越??；u物理過程：物理過程：Na越小，達(dá)到反型所需耗盡的多子越越小，達(dá)到反型所需耗盡的多子越少，少， QSDmax越小，半導(dǎo)體表面易反型。越小，半導(dǎo)體表面易反型。 p問題問題：假定半導(dǎo)體非均勻摻雜，影響假定半導(dǎo)體非均勻摻雜，影響VT的是哪部分半導(dǎo)體的濃度？的是哪部分半導(dǎo)體的濃度？ u氧化層下方的半導(dǎo)體摻雜濃度影響氧化層下方的半導(dǎo)