半导体器件物理-MOSFET

1、西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第四章第四章 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSFETMOSFET的预备知识的预备知识 2022-2-21场效应器件物理场效应器件物理2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的预备知识的预备知识 MOS电容电容氧化层厚度氧化层厚度氧化层介电常数氧化层介电常数Al或高掺杂的或高掺杂的多晶多晶Sin型型Si或或p型型SiSiO2MOS结构具有结构具有Q随随V变化的电容效应，形成变化的电容效应，形成MOS电容电容2022-2-2XIDIAN UNIVE

2、RSITY 4.0 MOSFET的预备知识的预备知识 平行板电容平行板电容p平行板电容：平行板电容：u上下金属极板，中间为绝缘材料上下金属极板，中间为绝缘材料u单位面积电容：单位面积电容：u外加电压外加电压V，电容器存储的电荷：，电容器存储的电荷：Q=CV，氧化层两侧电场，氧化层两侧电场E=V/dpMOS结构：具有结构：具有Q随随V变化的电容效应，变化的电容效应， 形成形成MOS电容电容d/oxC2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的预备知识的预备知识 能带图能带图p能带结图：能带结图：u描述静电偏置下描述静电偏置下MOS结构的内部状态，分价带、导带、禁带结

3、构的内部状态，分价带、导带、禁带u晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同u金属（价带、导带交叠：金属（价带、导带交叠：EF）、氧化物（）、氧化物（Eg大）、半导体（大）、半导体（ Eg 小）小）p半导体掺杂类型不同、浓度不同，半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同的相对位置不同导带底能级导带底能级禁带中心能级禁带中心能级费米能级费米能级价带顶能级价带顶能级2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOSFET的预备知识的预备知识 表面势和费米势表面势和费米势p费米势：半导体体内费米能级费米势：半导体体内费

4、米能级 与禁带中心能级之差的电势表示，与禁带中心能级之差的电势表示，p表面势表面势 ：半导体表面电势与体内电势之差，：半导体表面电势与体内电势之差，u能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高u如果表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同，如果表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同，p采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：sP型衬底型衬底禁带中心能级禁带中心能级费米能级费米能级fnfp，2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MO

5、S电容电容 表面电荷面电荷密度表面电荷面电荷密度p一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为N，表面积为，表面积为S，厚度为，厚度为dp材料总电荷为材料总电荷为Q=p表面表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）单位面积内的电荷（面电荷密度）Q=SdNdSeNdeN2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 理想理想MOS MOS 电容结构特点电容结构特点2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(1)(1)负栅压情形负栅压情形VFSEEp负栅压负栅压多子积累多

6、子积累状态状态u电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到S表面积累表面积累p能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯，能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯， 0 xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度p半导体表面处，耗尽层面电荷密度半导体表面处，耗尽层面电荷密度Qdep=e Naxdu正栅压正栅压，增大的电场使更多的多子耗尽，增大的电场使更多的多子耗尽， xd，能带下弯增加，能带下弯增加 sFiFSEE2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(2)(2)

7、dTXFiFSEEp大的正栅压大的正栅压反型反型状态状态能带下弯程度能带下弯程度，表面，表面 EFi 到到 EF下，表面具下，表面具n型。型。 u栅压增加，栅压增加， 增大，更多的多子被耗尽，增大，更多的多子被耗尽，Qdep （=e Naxd）增加）增加u同时同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面反型电子衬体内的电子被吸引到表面，表面反型电子Qinv积累，反型层形成积累，反型层形成u反型层电荷面密度反型层电荷面密度Qinv=e nsxinvp栅压栅压，反型层电荷数，反型层电荷数Qinv增加，增加， 反型层电导受栅压调制反型层电导受栅压调制大的正栅压情形大的正栅压情形s2022-2-2XIDIAN

8、 UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系表面反型层电子浓度与表面势的关系kTnkTEEnnsiis）（fpFiFeexpexpp反型层电荷浓度：反型层电荷浓度：P型衬底型衬底a0pfpfp2eexpNPkTni）（p阈值阈值反型点反型点： 表面势表面势= 2倍费米势，表面处电子浓度倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度体内空穴浓度p阈值电压：阈值电压： 使半导体表面达到使半导体表面达到阈值反型点阈值反型点时的时的栅电压栅电压2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度: :表面反型情形表面反型情

9、形p阈值反型点表面电荷特点：阈值反型点表面电荷特点：u浓度：浓度： ns =PP0；u厚度：厚度： 反型层厚度反型层厚度Xinv耗尽层厚度耗尽层厚度Xdp反型层电荷反型层电荷Qinv= ens Xinv Qdep = eNa Xd P型衬底型衬底例如：若例如：若Na=1016/cm3，栅氧厚度为，栅氧厚度为30nm，计算可得：计算可得：fp=0.348V，Xd0.3m，Xd 4nm，由此得，由此得Qdep=-5.510-8/cm2, Qinv = -6.510-10/cm2因此表面电荷面密度为：因此表面电荷面密度为：Q-=Qdep+QinvQdep2022-2-2XIDIAN UNIVERSI

10、TY 4.0 MOS电容电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系表面反型层电子浓度与表面势的关系316316cm101V695. 02V347. 0K300cm101sfpsfpanTN反型实例：tsaisVNnnexp2kTnkTEEnnsiis）（fpFiFeexpexpp阈值反型点后，阈值反型点后，VG增加：增加：表面处可动电子电荷浓度在表面处可动电子电荷浓度在ns =PP0基础上指数迅速大量增加：基础上指数迅速大量增加：表面势增加表面势增加0.12V，则，则ns=100PP0，而而Xdep只增加约只增加约8%，很小，原因？，很小，原因？2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY

11、4.0 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(2)(2)p阈值反型后，阈值反型后， xd最大值最大值XdT不再扩展：不再扩展：u表面处总的负电荷表面处总的负电荷面密度面密度Q-=Qdep+Qinvp 强反型后，若强反型后，若VG进一步进一步S表面处可动电子电荷浓度在表面处可动电子电荷浓度在ns =PP0基础上指数增加基础上指数增加表面处负电荷的增加表面处负电荷的增加Q-主要由主要由ns贡献贡献Qdep基基本不变本不变表面耗尽层宽度表面耗尽层宽度Xd基本不变，在基本不变，在阈值反型点阈值反型点开始开始 达到达到最大最大XdTp强反型后，增加的强反型后，增加的VG基本上用于改变

12、栅氧化层两侧压降基本上用于改变栅氧化层两侧压降VOX，反型反型电荷电荷Qn=COX(VG-VT)增多，增多，s改变量很小，改变量很小，耗尽层电荷耗尽层电荷近乎不变近乎不变2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 平带电压平带电压: :定义定义o平带电压平带电压VFB （flat-band voltage）u 定义：使半导体表面定义：使半导体表面能带无弯曲能带无弯曲需需 施加的施加的栅电压栅电压u 作用：抵消金属与半导体之间的作用：抵消金属与半导体之间的功函数功函数差差和和 氧化层中的氧化层中的正电荷正电荷对半导体表面对半导体表面的影响的影响pMOS电容电荷块图

13、：电容电荷块图：采用方形块近似表示电荷分布采用方形块近似表示电荷分布p若金属和半导体内部电场为若金属和半导体内部电场为0，根据高斯定律，根据高斯定律，MOS器件中的总电荷必须为器件中的总电荷必须为0，即正负电荷的面积应相等即正负电荷的面积应相等2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 功函数差功函数差:MOS:MOS接触前的能带图接触前的能带图金属的功函数金属的功函数金属的费米能级金属的费米能级硅的电子亲和能硅的电子亲和能fpgFsseEeEEW20)2(fpgmsmmseEeWWmFmmeEEW0p功函数：起始能量等于功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内

14、部逸出体外到真空所的电子，由材料内部逸出体外到真空所 需最小能量。需最小能量。p金属的功函数：金属的功函数：p半导体的功函数半导体的功函数p金半功函数差（电势表示）金半功函数差（电势表示）2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 功函数差功函数差:MOS:MOS结构的能带图结构的能带图条件：零栅压，条件：零栅压， 热平衡热平衡p接触之后能带图的变化：接触之后能带图的变化： uMOS成为统一系统，成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的栅压下热平衡状态有统一的EF uSiO2的能带倾斜的能带倾斜u半导体一侧能带弯曲半导体一侧能带弯曲p原因：金属半导体原因：金属

15、半导体ms不为不为0 零栅压下氧化物零栅压下氧化物二侧的电势差二侧的电势差零栅压下半导体的零栅压下半导体的表面势表面势2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 平带电压平带电压p氧化层中存在的正电荷氧化层中存在的正电荷u可动电荷：工艺引入的金属离子可动电荷：工艺引入的金属离子u陷阱电荷：辐照陷阱电荷：辐照u界面态：界面态：SiSio2界面界面Si禁带中的能级禁带中的能级u氧化层中氧化层中SiSio2界面存在的正的固定电荷界面存在的正的固定电荷p氧化层内的所有正电荷总的面电荷密度氧化层内的所有正电荷总的面电荷密度用用QSS等效，等效，p位置上靠近氧化层和半导体界

16、面位置上靠近氧化层和半导体界面2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 平带电压平带电压pQSS对对MOS系统的影响系统的影响u正正 Qss在在M和和S表面感应出负电荷表面感应出负电荷uS表面出现负电荷（耗尽的表面出现负电荷（耗尽的Na- 、电子），能带下弯，、电子），能带下弯，P衬表面衬表面向耗尽、反型过渡向耗尽、反型过渡oxssmsGFBCQVVs|0p若若 ms 0，则，则VFB0,p如果没有功函数差及氧化层电荷如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少平带电压为多少?p 平带电压平带电压VFB ：使半导体表面能带无弯：使半导体表面能带无弯 曲需施加的

17、栅电压曲需施加的栅电压,u抵消金属与半导体之间的抵消金属与半导体之间的功函数差功函数差和和 氧化层氧化层正电荷正电荷对半导体表面的影响对半导体表面的影响4.0 MOS电容电容 平带电压平带电压XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 阈值电压阈值电压: :定义定义2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY p阈值电压：半导体表面达到阈值电压：半导体表面达到阈值反型点阈值反型点时所需的栅压时所需的栅压VG， VT：VTN,VTPp半导体表面强反型，可认为半导体表面强反型，可认为MOSFET沟道形成沟道形成uVGVTN： s=VTN：s=2fp，衬底表面强反型，沟道形成，

18、衬底表面强反型，沟道形成表面势表面势=费米势的费米势的2倍倍XIDIAN UNIVERSITY 2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 阈值电压阈值电压: :公式推导公式推导功函数差功函数差Vox0+ s0=- ms)(电荷掺杂浓度，氧化层固定栅氧化层电容，半导体fTNV|QSDmax|=e NaXdT msfpoxCssQoxCQSVfpoxCQSSVVsVVTNVSDfps2|)0ox0(2m0ox0oxTox2|GmaxoxCmQCQoxTV栅氧化层电压ssSDmTnSDssmTnSDssmTQQQQQQQQQQQ|(max)|(max)|0(max)

19、电中性条件XIDIAN UNIVERSITY 2022-2-24.0 MOS电容电容 阈值电压影响因素阈值电压影响因素: :栅电容栅电容pCOX影响影响：COX越大，则越大，则VTN越小；越小；u物理过程：物理过程：COX越大，同样越大，同样VG在半导体表面感应的在半导体表面感应的电荷越多，电荷越多， 达到阈值反型点所需达到阈值反型点所需VG越小，易反型。越小，易反型。pCOX提高途径：提高途径：u45nm工艺前，减薄栅氧化层厚度工艺前，减薄栅氧化层厚度;u45nm工艺后，选择介电常数大的绝缘介质工艺后，选择介电常数大的绝缘介质msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|阈值电压ssQ|SD|QmaxXIDIAN UNIVERSITY 2022-2-2XIDIAN UNIVERSITY 4.0 MOS电容电容 阈值电压影响因素阈值电压影响因素: :掺杂浓度掺杂浓度|QSDmax|=e NaXdTpNa影响影响：Na越小，则越小，则VTN越小；越小；u物理过程：物理过程：Na越小，达到反型所需耗尽的多子越越小，达到反型所需耗尽的多子越少，少， QSDmax越小，半导体表面易反型。越小，半导体表面易反型。 p问题问题：假定半导体非均匀掺杂，影响假定半导体非均匀掺杂，影响VT的是哪部分半导体的浓度？的是哪部分半导体的浓度？ u氧化层下方的半导体掺杂浓度影响氧化层下方的半导