Lecture25第六章阈值电压ppt课件

1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压实践实践MOSMOS的的C-VC-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1、阈值电压、阈值电压(Threshold voltage)2、沟道电导、沟道电导(Channel conductance)3

2、、实践、实践MOS的的C-V特性特性 1影响影响C-V特性的要素特性的要素 功函数的影响功函数的影响(Work function) 界面圈套和氧化物电荷的影响界面圈套和氧化物电荷的影响 2实践实践MOS阈值电压阈值电压 3实践实践MOS的的C-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province反型层在漏源之间的导电通道，称为沟道。由于沿着垂反型层在漏源之间的导电通道，称为沟道。由于沿着垂直沟道方向上电子浓度不同，电导率不同。平均电导率直沟道方向上

3、电子浓度不同，电导率不同。平均电导率表示为：表示为：I0Id)(1xxxxnI)()(xqnx 沟道宽度I0nIId)(1xxxqnxIInxQI0IId)(xxxqnQ感应的沟道电荷感应的沟道电荷 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceI0InId)(xxxnqLZgI0IId)(xQxxqnInIIQLZLZxg沟道电导为：沟道电导为：I0Id)(1xxxxI0nIId)(1xxxqnx Micro Electromechanical Sys

4、tem Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceInIQLZg)(THG0Si0BG0IVVCCQVCQ)(THG0nIVVCLZg沟道电导沟道电导 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSFET阈值电压阈值电压VTH是金属栅下面的半导体外表出现强反型、是金属栅下面的半导体外表出现强反型、从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。从而出现导电沟道时所需加的栅源电压

5、。由于刚出现强反型时，外表沟道中的导电电子很少，反型层的导由于刚出现强反型时，外表沟道中的导电电子很少，反型层的导电才干较弱，因此，漏电流也比较小。电才干较弱，因此，漏电流也比较小。在实践运用中往往规定漏电流到达某一值在实践运用中往往规定漏电流到达某一值(如如50A)时的栅源电压时的栅源电压为阈值电压。从运用角度讲，希望阈值电压为阈值电压。从运用角度讲，希望阈值电压VTH小一些好。小一些好。阈值电压是决议阈值电压是决议MOSFET能否导通的临界栅源电压，因此，它能否导通的临界栅源电压，因此，它是是MOSFET的非常重要参数。的非常重要参数。 Micro Electromechanical Sy

6、stem Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceVGVTH，才出现负的感应沟道电荷，才出现负的感应沟道电荷QI，那么有阈值电压：，那么有阈值电压：或：或：强反型时的外表势强反型时所需求的电压：强反型时所需求的电压：S0sS0GCQVVBISSiS ,QQQSi0B0IGCQCQV)()(THG0Si0BG0IVVCCQVCQSi0BTHCQVfSi2 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of

7、 Anhui Province对于铝的功函数比对于铝的功函数比P P型硅的小型硅的小( (前者的费米能级比后者的高前者的费米能级比后者的高) )构构成成MOSMOS系统，当到达热平衡时，系统的费米能级为常数；功函系统，当到达热平衡时，系统的费米能级为常数；功函数差的存在使面对二氧化硅一侧的硅外表构成空间电荷区。数差的存在使面对二氧化硅一侧的硅外表构成空间电荷区。空间电荷区中能带将向下弯曲；这意味着当空间电荷区中能带将向下弯曲；这意味着当MOSMOS系统没有外加系统没有外加偏压时，半导体外表就存在着外表势偏压时，半导体外表就存在着外表势 ，且，且 0 0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来

8、的影响，就必因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必需在金属电极上加一负电压。需在金属电极上加一负电压。SS Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于金属由于金属- -半导体功函数差导致空间电荷区能带向下弯曲半导体功函数差导致空间电荷区能带向下弯曲铝的相对于铝的相对于SiO2SiO2修正功函数修正功函数硅的相对于硅的相对于SiO2SiO2修正功函数修正功函数 Micro Electromechanical System Resear

9、ch Center of Engineering and Technology of Anhui Province使能带平直，需在金属电极上加一负电压：使能带平直，需在金属电极上加一负电压：)P-SiO-Al0,( )(Si2mssmmsSFpFM系统对于qqqqEEsmmsG1VqEEV)(FpFMG1 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province根据上图，可得硅的修正功函数：根据上图，可得硅的修正功函数：V)8 . 3(21 . 125. 3ffs

10、修正亲和势实验值修正亲和势实验值 ：Eg1.1eV)(smG1qVG1qV图图6-11 Al-SiO2-Si6-11 Al-SiO2-Si构造的能带图构造的能带图eV25. 3 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于接触电势差的出现，使得平带情况所对应的外由于接触电势差的出现，使得平带情况所对应的外加偏压加偏压VG=0改动为改动为VG=VG1。外加偏压。外加偏压VG的一部的一部分分VG1用于使能带平直，另一部分用于使能带平直，另一部分VGVG

11、1起到理起到理想想MOS系统的作用。实践系统的电容系统的作用。实践系统的电容C作为作为VGVG1的函数，与理想的函数，与理想MOS系统的电容系统的电容C作为作为VG的函数，在方式上应该是一样的。的函数，在方式上应该是一样的。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province图图6-12 6-12 热氧化构成的热氧化构成的Si-SiO2Si-SiO2系统中的各类电荷系统中的各类电荷热平衡时热平衡时MOSMOS系统，还遭到氧化层电荷和系统，还遭到氧化层电荷和S

12、i-SiO2Si-SiO2界面圈套的影响界面圈套的影响 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province界面圈套电荷界面圈套电荷Qit，归功于，归功于Si-SiO2界面性质，并取决于界面界面性质，并取决于界面的化学成分；的化学成分；1、在、在Si-SiO2界面上的圈套，其能级位于硅禁带之内。界面上的圈套，其能级位于硅禁带之内。2、界面态密度、界面态密度(单位面积圈套数单位面积圈套数)和晶面取向有关。和晶面取向有关。3、在、在(100)面界面态密度比面界面态

13、密度比(111)面的约少一个数量级，对于面的约少一个数量级，对于硅硅(100)面，面，Qit很低，约很低，约1010cm-2，即大约，即大约105个外表原子才个外表原子才有一个界面圈套电荷，对于硅有一个界面圈套电荷，对于硅(111)面，面， Qit约为约为1011cm-2 。 界面圈套电荷界面圈套电荷Qit Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province氧比物固定电荷氧比物固定电荷Qf位于位于Si-SiO2界面约界面约3nm的范围内，这些电荷的范围内，这

14、些电荷是固定的，在外表势是固定的，在外表势 大幅度变化时，它们不能充放电。大幅度变化时，它们不能充放电。 Qf通通常是正的，并和氧化、退火条件以及常是正的，并和氧化、退火条件以及Si的晶面取向有关，经过的晶面取向有关，经过仔细处置的仔细处置的Si-SiO2系统，系统，(100)面的氧化层固定电荷密度的典型面的氧化层固定电荷密度的典型值为值为1010cm-2，(111)面的为面的为51010cm-2。由于由于(100)面的面的Qit和和Qf较低，故硅较低，故硅MOSFET普通采用普通采用(100)晶面晶面 氧化物固定电荷氧化物固定电荷QfS Micro Electromechanical Sys

15、tem Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province氧比物圈套电荷氧比物圈套电荷Qot和二氧化硅缺陷有关。这些圈套分布和二氧化硅缺陷有关。这些圈套分布在二氧比硅层内；和工艺过程有关在二氧比硅层内；和工艺过程有关Qot大都可以经过低温大都可以经过低温退火来消除。退火来消除。 氧化物圈套电荷氧化物圈套电荷Qot Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province可动离子电荷可动离子

16、电荷Qm(诸如钠离子和其他碱金属离子诸如钠离子和其他碱金属离子) 在高温暖在高温暖高压下任务时，它们能在氧化层内挪动；半导体器件在高偏高压下任务时，它们能在氧化层内挪动；半导体器件在高偏置电压和高温条件下任务时的可靠性问题能够和微量的碱金置电压和高温条件下任务时的可靠性问题能够和微量的碱金属离子沾污有关。在高偏置电压和高温条件下，可动离子随属离子沾污有关。在高偏置电压和高温条件下，可动离子随着偏置条件的不同可以在氧化层内来回挪动，引起着偏置条件的不同可以在氧化层内来回挪动，引起C-V曲线曲线沿电压轴挪动。因此，在器件制造过程中要特别留意可动离沿电压轴挪动。因此，在器件制造过程中要特别留意可动离

17、子沾污问题。子沾污问题。 可动离子电荷可动离子电荷Qm Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province设单位面积上有正电荷设单位面积上有正电荷Q0位于位于x处的一薄层内。这些正电荷会处的一薄层内。这些正电荷会在正金属外表上感应一部分负电荷在正金属外表上感应一部分负电荷QM，在半导体外表感应出，在半导体外表感应出一部分负电荷一部分负电荷QS，并且，并且QM+QS=Q0；由于；由于QS的出现，在没的出现，在没有外加偏正有外加偏正VG的情况下，半导体外表内也将

18、出现空间电荷区，的情况下，半导体外表内也将出现空间电荷区，能带发生弯曲，半导体外表带有正的外表势能带发生弯曲，半导体外表带有正的外表势 。S Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province显然，有：显然，有：单位面积的总氧化层电容单位面积的总氧化层电容为抑制该外表势，可以在金属电极上加一负电压为抑制该外表势，可以在金属电极上加一负电压VG2，使得金，使得金属上负的面电荷属上负的面电荷QM添加到与绝缘层中的正电荷添加到与绝缘层中的正电荷Q0数值相等，数值相

19、等，这样使氧化层的正电荷发出电力全部终止到金属电极上而对半这样使氧化层的正电荷发出电力全部终止到金属电极上而对半导体外表不发生影响。这时半导体外表恢复到平带情况导体外表不发生影响。这时半导体外表恢复到平带情况(不思索不思索功函数差的影响功函数差的影响)。即：即：xC0CQV0G200000G2xxCQxQV Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceVG2 Micro Electromechanical System Research Center

20、of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province假设氧化层中正电荷延续分布，电荷体密度为假设氧化层中正电荷延续分布，电荷体密度为(x)，那么有：，那么有：式中：式中：有效面电荷，依赖于其在绝缘层中的分布情况有效面电荷，依赖于其在绝缘层中的分布情况单位面积的电荷单位面积的电荷0os000G20d)(1CQxxxxCVxxxxxCVd)(1d00G2000osd)(

21、xxxxxQ00000G2xxCQxQV(6-4-5)(6-4-4)(6-4-6)CQV0G2 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province同理，假设知氧化层内圈套电荷的体密度同理，假设知氧化层内圈套电荷的体密度ot(x)和可动离子电和可动离子电荷体密度荷体密度m(x) ，那么可以得到，那么可以得到Qot和和Qm，以及它们各自对平，以及它们各自对平带电压的影响：带电压的影响：把上述四种电荷称为氧化层电荷，记为把上述四种电荷称为氧化层电荷，记为Q0，在大

22、多数情况，在大多数情况，在在Si-SiO2界面上由外表态引起的电荷占优势。界面上由外表态引起的电荷占优势。000m0m0ot0otd)(d)(xxxxxxQxxxxQ(6-4-8)(6-4-8) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province取取 x=x000000G2xxCQxQV00G2CQVsmmsG1VSi0BTHCQV00msG2G1FBCQVVVSi0B00msSi0BFBTHCQCQCQVV四种电荷称为氧化四种电荷称为氧化层电荷，记为层电荷，记为Q0。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province实践阈值电压影响要素：实践阈值电压影响要素：为消除半导体与金属感函数差的影响；金属电极相对于半导体所需为消除半导体与金属