華工半導體器件物理-課件chapter

Lienfeld和Heil于30年代初就提出了表面場效應晶體管原理。40年代末Shockley和Pearson進行了深入研究。1960年Kahng和Alalla應用熱氧化硅結構制造出第一只MOSFET。MOSFET是大規(guī)模集成電路中的主流器件。MOSFET是英文縮寫詞。其它叫法：絕緣柵場效應晶體管（IGFET）、

金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管（MISFET）、金屬-氧化物-半導體晶體管（MOST）等。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理隨著集成電路設計和制造技術的發(fā)展，目前大部分超大規(guī)模集成電路都是MOS集成電路。MOS結構的工作原理早在30年代就已提出，但由于但是對半導體表面的研究以及對制造致密氧化膜的技術尚不成熟，致使MOS結構遲遲不能變成現(xiàn)實。自1960年使用二氧化硅作為柵絕緣層的MOS晶體管問世以來，MOS晶體管及集成電路有了很大發(fā)展。目前在數字集成電路，尤其是微處理機和器方面，MOS集成電路幾乎占據了位置。此外，MOS在一些特種器件，如CCD（電荷耦合器件）和敏感器件方面應用廣泛。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理D(Drain)為漏極，相當c；G(Gate)為柵極，相當b；S(Source)為源極，相當e。B(substrate),襯底極。通常接地，有時為了控制電流或由于電路結構的需要，在襯底和源之間也加一個小偏壓(VBS).?

Dr.

B.

Li半導體器件物理MOS場效應晶體管的結構對NMOS晶體管，源和漏是用濃度很高的N＋雜質?

Dr.

B.

Li半導體器件物理擴散而成。在源、漏之間是受柵電壓控制的溝道區(qū)，溝道區(qū)長度為L，寬度為Z(W)。對于NMOS，通常漏源之間加偏壓后，將電位低的一端成為源，電位高的一端稱為漏，電流方向由漏端流向源端。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理載流子運動方向：S→D電壓：電極上的電位：VG，VS，VD，VB柵源電壓：VGS

漏源電壓：VDS襯偏電壓：VBS電流：漏極電流：ID（流入為正）柵極電流：IG（直流時≈0）襯底極電流：IB（≈0）一般將硅片稱為襯底，金屬層稱為柵，生成氧化層的過程稱為柵氧化。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理AlAlSiO

2n-Sip-

Sip-

SiB襯底為N型單晶硅，兩個P

型區(qū)靠擴散形成，分別稱為源區(qū)

S(Source)和漏區(qū)D(Drain)。它們之間為一層高質量的二氧化硅層，一般稱之為柵氧化層。在其上面覆蓋(鋁)金屬，由此引出的電極稱為柵極，以字母G(Gate)表示。柵氧化層下面的半導體表面稱為溝道(Channel)區(qū)。S?

Dr.

B.

Li半導體器件物理GD鋁柵P溝MOSFET的橫截面和管芯頂視示意圖第四個電極從襯底引出，稱作襯底極，以

B表示。源區(qū)與襯底間的pn結叫做源pn結，漏區(qū)與襯底間的pn結則稱作漏pn結。在半導體表面，源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)一起組成有源區(qū)，有源區(qū)以外的表面稱為場區(qū)。AlP

o

l

y

-

SiS

i

O

2n

-

Sin

-

SiSp

-

SiBGn溝道器件的襯底為p型半導體，源漏區(qū)籍助擴散或離子注入摻雜成n型，柵電極材料不是鋁而是摻雜多晶硅的MOSFFT稱為硅柵MOSFFT，。D?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理促進MOS晶體管發(fā)展主要有以下四大技術：(a)半導體表面的穩(wěn)定化技術(b)各種柵絕緣膜的實用化

(c)自對準結構MOS工藝(d)閾值電壓的控制技術6.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)理想MOS結構滿足以下條件：金屬與半導體之間功函數差為0；在SiO2層中沒有任何電荷并且完全不導電；Si-SiO2界面處不存在任何界面態(tài)。SiO2

層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個表面空間電荷區(qū)中

能級為常數。這些假設在以后將被取消而接近實際的MOS結構。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理當理想MOS結構的柵壓為0時：SiO2層兩側也沒有電荷；導體的能帶是平直的，空間沿x軸方向沒有電位差，

，其中EC

、EV

分別為SiO2的導帶底和價帶頂；?

Dr.

B.

Li半導體器件物理若金屬一側加正電壓，柵壓Vg>0時：SiO2層兩側有電荷積累；柵壓Vg>0時，則產生一個由金屬指向半導體的電場，

SiO2是絕緣層，不能提供電荷來 這個電場，于是電場將深入到半導體表面，在半導體表面感生一個負電荷的空間電荷層，以 金屬極板上的正電荷。由于半導體中的載流子濃度比金屬中的電子濃度低得多，因此這層感生電荷具有一定的厚度，通常稱之為表面空間電荷層，而稱感生電荷為表面空間電荷，將其厚度記為xd，?

Dr.

B.

Li半導體器件物理空間電荷層內的能帶發(fā)生彎曲：在空間電荷層內，電場是逐漸被的，x=0處電場最強，x=dsc處電場減小到零；與此相應，空間電荷層內的電勢也隨之變化；同時，空間電荷層內的能帶發(fā)生彎曲，半導體表面與體內的電勢差稱為表面勢，記為s

(s

=

V(x=0)

?

V(x=dsc))整個柵壓Vg,一部分落在了氧化層上稱為

Vo（Vo

=V(x=-di)?V(x=0)），一部分落在了半導體表面空間電荷區(qū)上，即s，于是有：Vg=Vo+

s?

Dr.

B.

Li半導體器件物理柵壓Vg

>

0

時，表面勢相應地Vs

>

0，引起半導體表面能帶向下彎曲：越接近表面

，價帶頂離EF越遠，價帶中空穴濃度越低；可以認為基本上多子耗盡了。當柵壓進一步增大時Vg>>0，Vs進一步升高，表面處能帶進一步向下彎，以至于出現(xiàn):導帶底離EF比價帶頂離EF更近，即在表面處的電子濃度已超過空穴濃度，即在表面處電子成為多子表面附近的P型區(qū)變成了以電子導電為主的N型層，所以稱其為反型層。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理在這種情況下，半導體表面空間電荷層內的負電荷由兩部分組成：一部分是反型層中的電子，另一部分是耗盡層中的電離受主，兩者之和等于金屬柵極表面正電荷。形成反型層的條件當VG較小時，表面處的能帶只是

略微向下彎曲，使表面

能級EF

更接近本征

能級Ei，空穴濃度減少，電子濃度增加，但與電離受主的空間電荷相比仍較少，可忽略。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理VG繼續(xù)增大，使表面能級EF與本征能級Ei時，表面電子濃度開始要超過空穴濃度，表面將從P型轉為N型，稱為“弱反型”。發(fā)生弱反型時，電子濃度仍舊很低，并不起顯著的導電作用。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理當表面勢達到 勢的兩倍，表面電子的濃度正好與體內多子空穴的濃度相同，稱為“強反型”。此時，柵極電壓VG稱為閾值電壓VT。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理VG繼續(xù)增大，耗盡層電荷QB和表面勢s基本不再變化，只有反型層載流子電荷隨電壓VG增加而增加。對于表面反型層中的電子，一邊是絕緣層，一邊是導帶彎曲形成的一個陡坡（空間電荷區(qū)電場形成的勢壘），因此，反型層通常又稱溝道。P型半導體的表面反型層由電子構成，稱為N溝道。同理N型半導體的表面反型層由空穴構成，稱為P溝道。半導體表面空間電荷區(qū)：每個極板上的感應電荷與電場之間滿足如下關系（6-1）=半導體相對介電常數=空間電荷區(qū)在半導體

的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度。式中0

=空間的電容率k0=氧化物的相對介電常數

S

=半導體表面的電場外加電壓VG

為氧化層的電壓V0

和表面勢

S

所分攤：kSxdVG

V0

S（6-2）QM

QS

k0

0

0

kS

0

S?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)圖6-3

加上電壓VG

時MOS結構內的電位分布?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)載流子積累、耗盡和反型載流子積累緊靠硅表面的多數載流子濃度大于體內熱平衡多數載流子濃度時，稱為載流子積累現(xiàn)象。單位面積下的空間電荷xdQs

q

[

p(x)

p0

]dx06.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)圖6-4

幾種偏壓情況的能帶和電荷分布（a）

V

，

（b）小的

V

，

（c）大的

VGG

G?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)載流子耗盡單位面積下的總電荷為（6-6）s

02k

qN

x2a

dSx

2?

Dr.

B.

Li半導體器件物理QS

QB

qNa

xd式中xd

為耗盡層寬度。

d

Sx

x

1（6-7）（6-5）載流子反型：載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導體的導電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件反型條件；強反型條件；

si

2

f（6-17）（6-18）

s

f式中

Si

為出現(xiàn)強反型時的表面勢。6.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)xI圖6-5

強反型時的能帶圖x0Eq

f?

Dr.

B.

Li半導體器件物理EcEvEiq

f6.1理想MOS結構的表面空間電荷區(qū)總表面空間電荷QS

QI

QB

QI

qNa

xdmqNa4kS

0

fqNa2kS

0

sixdm

QB

qNa

xdmQI（6-19）（6-20）（6-21）（6-22）IQ

0I為反型層中單位面積下的可動電荷即溝道電荷：xI

qn

x

dx強反型后，當偏壓繼續(xù)增加時，導帶電子在很薄的強反型層中迅速增加，了外電場。于是空間電荷區(qū)的勢壘高度、表面勢、固定的受主負電荷以及空間電荷區(qū)的寬度基本上保持不變。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.2理想MOS電容器存在柵壓時，MOS結構中半導體表面感生出和金屬柵極上等量的異號電荷；當柵壓變化時，SiO2層兩側異號電荷的數量發(fā)生相應的變化，這是一個電容效應。理想MOS結構的電容由兩部分組成，SiO2層電容Co和半導體表面空間電荷層電容Cs：6.2理想MOS電容器系統(tǒng)單位面積的微分電容C

dQM微分電容C與外加偏壓VG

的關系稱為MOS系統(tǒng)的電容—電壓特性。若令（6-22）dVG

dV0

d

sdQM

dQM1

dVGC

dQM（6-23）00dV

dQMC（6-24）S?

Dr.

B.

Li半導體器件物理

dQSS

dQMSddC（6-25）6.2

理想MOS電容器則（6-26）（6-28）（6-29）1

1

1C

C0

CSC0

=絕緣層單位面積上的電容，CS=半導體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。C

1C0

1

C0

CSC

C0

稱為系統(tǒng)的歸一化電容。0?

Dr.

B.

Li半導體器件物理

dQM

0

k0dV0

x0C從上述的定義看到，所說的MOS電容實際上是一個微分電容，其測量是在一直流偏壓的基礎上，加一個交流小信號電壓，根據測出的電流算出電容量。當直流偏壓的極性和大小發(fā)生改變時，MOS結構中半導體的表面勢及空間電荷的大小和種類都發(fā)生改變，根據半導體表面荷電狀態(tài)的不同，可以分為積累、平帶、耗盡和反型四種情況。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.2

理想MOS電容器將電容隨偏壓的變化分成幾個區(qū)域，變化大致情況如圖6-7所示。圖6-7

P型半導體MOS的C-V特性?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理1、半導體表面為多子積累的情形多子積累對應于：襯底為P型材料構成的MOS結構（n-MOS)，Vg<0襯底為N型材料構成的MOS結構（p-MOS)，Vg>0多子積累時的NMOS電容在偏壓Vg<0時，半導體表面空間電荷為空穴，空穴分布緊靠著Si-SiO2表面，此時若加一交流小信號～Vg于負柵壓Vg上，則由～

Vg引起的表面電荷～

Qs的充、放電發(fā)生在Si-SiO2界面附近，故測出的應當是以di為厚度的氧化層電容值Co；另一方面，表面空穴濃度隨表面勢s的變化。在Vg為比較大的

負值時，s也相應是負值，交流小信號引起的微小的～

s變化將引起很大的～ps的變化，從而引起很大的～

Qs的變化，因此，Cs=dQs/dVs很大，比Co大得多，總電容為氧化層Ci與表面空間電荷電容Cs的串聯(lián)，故：C

≈

Co?

Dr.

B.

Li半導體器件物理2、平帶的情形?

Dr.

B.

Li半導體器件物理在偏壓Vg=0時，直接加上交流小信號，測得的電容稱為平帶電容，用CFB標記。3、半導體表面為多子耗盡的情形多子耗盡對應于：襯底為P型材料構成的MOS結構（n-MOS)，Vg>0；襯底為N型材料構成的MOS結構（p-MOS)，Vg<0；在正的直流偏壓Vg>0

作用下,

半導體表面為多子耗盡，電荷為帶負電的受主離子，電量為Qs，寬度為xd；此時，若加上交流小信號，則隨著小信號的變大變小，耗盡層也相應展寬縮小，此時的充、放電在金屬表面和耗盡層邊界進行，所以，電容為一個厚度為xo

的氧化層電容和一個厚度為xd

的空間電荷區(qū)電容的串聯(lián)，即0/xo

與0s/

xd的串聯(lián)。直流偏壓Vg

s

xd

Cs

電容C

。與 串聯(lián)后的

OS?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理4、半導體表面反型的情形表面反型對應于：襯底為P型材料構成的MOS結構（nMOS)，Vg

>>0襯底為N型材料構成的MOS結構（pMOS)，Vg<<0：反型后，金屬柵極上帶有正電荷QM

，半導體表面所帶的等量負電荷Qs由兩部分組成：反型層的電子電荷Qn和空間耗盡層電荷QB

：QM

=

Qs

=

(Qn+QB)由于表面處的電子濃度隨q

s的增大是指數增加的強反型后，反型層中電子濃度隨著能帶的進一步彎曲將增加得十分得迅速。此時，Vg若進一步增大，s只會有微小的增加，就能產生了大量的電子來

柵上增加的正電荷，此時，增加的柵壓主要由SiO2層承擔，即Vo增大。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理也就是說，強反型后，s基本上隨柵壓變化非常小了，由于Vs不再增加，耗盡層厚度xd也不再增寬xdm，達到了最大值，耗盡層中的電荷量也達到最大值QB。若是加上交流小信號

Vg，則由于s的變化很小，主要是Vi的變化承擔，充、放電主要由金屬柵上的正電荷和Si反型層中的電子數目Qn的變化實現(xiàn)，而耗盡層電荷QB幾乎不變，故此時電容應該表現(xiàn)為氧化層電容Co。金屬極板上的正電荷QM和反型層中的電子數目Qn將隨交流小信號柵壓的改變而改變；金屬柵極板上的正電荷可以直接來源于電源正極；反型層中電子數目的改變，只能靠空間電荷區(qū)中的產生-復合；因為電源負極接的是P型半導體，電流的絕大部分是空穴流，電子流只是極小極小的一點，這部分空穴流必須完全轉化為電子流提供給反型層的充、放電，這個轉化過程就在耗盡層內通過載流子的產生-復合來完成。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理?

Dr.

B.

Li半導體器件物理這個轉化過程需要一定的時間，當交流小信號的頻率較低，信號變化較慢時，這個過程能充分完成，此時這個電容如前所述為Co。若是交流小信號頻率很高(>106Hz)，則這個轉化過程就無法跟得上外柵壓

Vg

變化，反型層就得不到電子，濃度的變化也就無法跟上外電壓

Vg

變化，這時充、放電的空穴電流就是使得空間耗盡區(qū)的寬度不斷地變化，也就是說，此時充放電在金屬柵板上和耗盡區(qū)邊界xdmax附近進行，那么，顯然高頻交流小信號測得的電容應該是氧化層電容Co與半導體表面電容Csmin的串聯(lián)：P型半導體構成的n-MOS結構的C-V

特性N型半導體構成的p-MOS結構的C-V

特性總結起來，在不同的直流柵偏壓Vg下，P型半導體構成的nMOS結構的微分電容，即C-V

特性，如下圖所示；?

Dr.

B.

Li半導體器件物理類似的分析可以得到N型半導體構成的pMOS結構的C-V特性。6.2

理想MOS電容器積累區(qū)（V

<0）GMOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容C0。當負偏壓的數值逐漸減少時，空間電荷區(qū)積累的空穴數QS隨之減少，并且

CS

隨

S的變化也逐漸減慢，變小?？傠娙?/p>

C也就變小。平帶情況（VG

=0）（6-40）ks

x0（6-40）由摻雜濃度和氧化層厚度確定LD標志著為了

外電場而形成的空間電荷區(qū)的厚度，通常成為德拜

長度C0CFB1

k0

LD1?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.2

理想MOS電容器耗盡區(qū)（VG

>0），代入（6-2）式中有（6-43）dxS

d

dQS

0

kSCS11

k

0x

dkS

x0CSC00氧化層電容

CV

QSSGCV

QS

0把

QS

QB

qNa

xds

02k

qN

x2a

d?

Dr.

B.

Li半導體器件物理S（6-42）（6-44）和（6-5）（6-6）6.2

理想MOS電容器代入（6-44）式解出（6-45）（6-46）（6-47）xd

kS

0

kS

00C0

C0S

0

a2VGC

2dXqk

N1SdQSCs

d反型區(qū)（

VG

>0）S

S

dQI

dQBd

d歸一化電容C

C0

隨著外加偏壓

VG

的增加而減小.20

02

120?

Dr.

B.

Li半導體器件物理0

12

1

GV

a

S

0G

1

a

S

0

V

qN

k

x2

k2C

2qN k

C

C?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.3溝道電導與閾值電壓—溝道電導即為反型層中單位面積下的總的電子電荷溝道電導為（6-51）Z

xLgI

n

Iq

n

xdxI0

0II

Iqn

x dx

Q式中nI

x為溝道中的電子濃度。xI

為溝道寬度。x（6-52）n

IILg

Z

Q（6-53）6.3溝道電導與閾值電壓二閾值電壓：定義為形成強反型所需要的最小柵電壓。當出現(xiàn)強反型時溝道電荷受到偏壓

VG

控制，這正是MOSFET工作的基礎。勢

。（6-54）（6-55）THVSi

QBGC

CV

QI0

0

QI

C0

VGSi0

G

TH

QB

C

V

V

C0Si?

Dr.

B.

Li半導體器件物理TH閾值電壓：VC

QB

0QB第一項表示在形成強反型時，要用一部分電壓去支撐空間電荷

；第二項表示要用一部分電壓為半導體表面提供達到強反型時所需要的表面

Si?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.4實際MOS的電容－電壓特性實際的MOS結構與理想MOS結構相比，存在一些差別：金屬和半導體間有在功函數差；SiO2層中存在電荷；Si-SiO2界面存在界面態(tài)；這些差別造成實際MOS

的C-V

特性和理想MOS的C-V特性出現(xiàn)差別。功函數差的影響假定一個P型襯底的Si

材料和金屬Al

構成的MOS結構，金屬Al的功函數比P型Si的功函數小，也就是說金屬Al的

能級比P型Si的高。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理當柵極上的柵壓為0時，即柵極金屬Al通過外電路與半導體相連時，電子將從 能級高的地方向 能級低的地方流動，即從Al流向Si，從而使金屬表面帶正電，Si表面形成一個負的空間電荷區(qū)，這樣便產生了一個由金屬指向半導體的電場，使得金屬邊的電位升高，Si側的電位下降，直至兩側能級相平，達到整個系統(tǒng)平衡。此時P型Si與柵極金屬之間的接觸電勢差為：Vms=

Vi+

Vs

=

(Ws-Wm)/q。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理由于金屬和半導體功函數的不同，外加柵壓為零時，半導體表面附近的能帶并不處平直狀態(tài)，為了恢復平帶狀態(tài)，需在柵極和襯底之間加一個與Vms大小相等、極性相反的柵壓Vg,以抵消由于二者功函數不同而引起的空間電荷和能帶寬曲，也就是說，此時的平帶電壓應為：VG1

=-Vms=(Wm

-Ws)/q。在柵極加上VG1后，整個半導體表面恢復了平帶，以前對理想MOS的分析就完全適用了，所以，實際的C-V曲線將相對于理想曲線，沿電壓軸平移VG1即可。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.4實際MOS的電容—電壓特性?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.4實際MOS的電容—電壓特性界面陷阱和氧化物電荷的影響N

a

可移動離子電荷Qm

+

+

+

氧化物陷阱電荷QK

氧化物固定電荷Qfot

+

++

+

界面陷阱電荷Qit金屬SiO2Si圖?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6-13

熱氧化硅形成的Si

SiO

2

系統(tǒng)中的各類電荷?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.4實際MOS的電容—電壓特性在二氧化硅、二氧化硅－硅界面系統(tǒng)存在電荷：界面陷阱電荷（interface

trapped

chargeQ）it氧化物固定電荷（fixed

oxide

charge）Qf氧化物陷阱電荷（oxide

trapped

chargeQ）ot

可動離子電荷（mobile

ionic

charge）Qm綜合看來，可以把它們看做是位于二氧化硅－硅界面的正電荷。SiO2層中電荷（可動和固定）的影響在MOS結構的SiO2層中通常存在著正電荷，現(xiàn)假定在x處有一層正電荷,單位面積電荷量為Qi。

SiO2層正電荷將在金屬和半導體表面感應出負電荷。半導體表面空間電荷層內將有電場存在，表面能帶將向下彎曲。為了使半導體表面的能帶恢復到平帶，需要在柵極上的加上負柵壓，用柵上負電荷完全

氧化層中的正電荷，此時所加的柵壓為平帶電壓VG2。?

Dr.

B.

Li半導體器件物理6.4實際MOS的電容—電壓特性克服硅－二氧化硅界面電荷和二氧化硅中電荷影響所需要的平帶電壓：如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為x

，則VG

2總的平帶電壓0

0

0

0G

2xC

x

kV

Q0

x

Q0C

x0

0

1

x

xdxG

2dV00X000xC