微米MOS与MOSFET

1、微米MOS与MOS场效应晶体管14721801俞静婷言引OMS金属氧化物半导体利用半导体的表面效应制造出有实用价值的器件引言引言 结构 应用文献1 Fabrication of Silicon MOSFETs Using Soft Lithography 来源：Advanced Materials 1998, 10, No.17 软刻蚀技术：非光刻图形转移技术，接触印刷和聚合物成型；关键：关键：在图形转移步骤中，最小化弹性模具的变形，对半导体材料表面不造成污染。 Micromolding in capillaries, MIMIC High electron mobility transist

2、ors (HEMTs)文献1-p沟道增强型MOSFETp-MOSFET横断面剖视图器件顶视图文献11.理想的MOS结构及其表面电荷区 基本结构： 铝栅铝栅N沟道沟道MOS场效应晶体管场效应晶体管 增强型与耗尽型：一般增强型。a)增强型：原始结构中无沟道。b)耗尽型：在制作为成品之后，已存在导电沟道。c)N沟增强型：依靠离子注入技术和清洁氧化物技术。早期的N沟道的原因是氧化物中正电荷的作用，类似VG作用，产生导电沟道。1-1.MOS管基本结构及工作原理 工作原理：以N沟道增强为例a)栅上施加+VGb)+VG作用感生N型沟道（耗尽展宽反型）c)在VDS的作用下出现漏电流IDS 特性曲线：MOS有开

3、启电压VT当VGVT时，才能建立沟道。1-1.MOS管基本结构及工作原理MOS的内夹断电压称为开启电压，阈值电压 对理想的MOS结构应满足以下：a)绝缘体足够好，电流不从栅流向半导体，没有电流时，整个MOS处于热平衡态；b)在氧化物及氧化物半导体界面均不存在电荷；c)半导体与金属的功函数差为零。以上三点假设为讨论MOS整个系统提供方便，对于MOS电容同样有此假设。 理想MOS电容：把MOS结构看作电容器，SiO2为介质层，当施加-VG时，就感生电荷密度为QS，金属栅上 1-2.理想MOS结构假设及表面势SSOSOOOGQKKQKO： SiO2 介电常数；oo： 自由空间电容率；o： SiO2

4、中场强；KS： 半导体介电常数；S： 半导体表面处电势。半导体一侧平板电容器充电 理想MOS结构中电场分布:VG为外加栅压；右图为VG在三层中的情况；VG=VO+SVO 为跨越氧化层电势；S 为表面势。 表面势:在MOS结构中，VG在半导体表面层深入一定的深度，电势也逐渐减至零。电场的降低使电势相应的变化， ，这种在表面产生一个电势差，即表面势。1-2.理想MOS结构假设及表面势dxdV 载流子的积累：a) 当栅上施加-VG ，这种形成负的表面势能带向上弯曲；b) EV向上与Ef更接近，说明空穴浓度增加；c) 由载流子浓度式：1-3.理想MOS中电势对半导体表面影响kTEEiifennkTEE

5、ifienppnpEEnpnEEfiifd) 在半导体表面：对于P-Si，由于-VG使能带向上弯曲，造成半导体表面的多子空穴浓度大于体内平衡浓度，称此是载流子的积累态。e) 多子积累时MOS系统能带图 载流子的耗尽：a)当栅上施加电压+VG(正表面势)，产生附加能-qs。 半导体表面处能带将会向下弯曲， EC-qs；b)由于能带向下弯曲，EiEf值减少，可使半导体表面载流子空穴减少至零，表面载流子降至零的情况，称之为“载流子耗尽”；c)表面的耗尽使负的受主离子呈现半导体表面(-qNa)，在表面处耗尽层宽度为Xd，可采用PN结耗尽层计算公式；d)表面电荷：-QS=-qNaXde)载流子耗尽能带图

6、：1-3.理想MOS中电势对半导体表面影响 载流子的反型（半导体表面反型）a)当栅上施加较大电压+VG（正表面势），弯曲更明显。b)Ei小于Ef，可使半导体表面处变成n型半导体能带结构，称之为反型反型层。c)感生PN结（感生沟道）当表面反型为N型，体内为P型，构成感生PN结；由于感生的N区是MOS晶体管的沟区，又称此沟区为MOS感生沟道；此感生的PN结，由于N区的浓度比半导体内多子浓度还要大得多，称此为强反型；强反型时的感生PN结，类似半导体N+/P结，即N型高掺杂的单边突变结，因此有关计算可用单边突变结公式。1-3.理想MOS中电势对半导体表面影响 弱反型 EfEi出现反型后，表面的电子浓度

7、ns仍小于体内的空穴浓度，ns VGsi，VGsiVG VG用于增强反型层内电子浓度而Xdm不变当MOS结构理用于MOS晶体管时，VGsi相当于开启电压VT（所指N沟道增强型）2. MOS电容及C-V曲线 外加电压的作用VG，VO为降落在绝缘层上电压S为半导体上的电压降（表面势） VG与半导体表面参量QS，S关系MOS为理想结构，绝缘层内电场均匀分布，以0表示系统单位面积的微分电容微分电容C与外加偏压VG的关系称为MOS系统的电容电压特性。2-1.MOS电容结构及等效电路SOGVV0oOxVGMdVdQC 若令 则CO=绝缘层单位面积上的电容CS=半导体表面空间电荷区单位面积电容C/CO称为系

8、统的归一化电容。2-1.MOS电容结构及等效电路MsMOMGdQddQdVdQdVC1OMdVdQCOSSSMSddQddQCSCCC111OSOCCCC11OOOMOxkdVdQC002-2.MOS电容的分阶段解释 P型半导体MOS的C-V特性AB段MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容CO。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累的空穴数随之减少，并且QS随S的变化也逐渐减慢，CS变小。总电容C也就变小。 由掺杂浓度和氧化层厚度确定OsDOFBxkLkCC011CD段氧化层电容 ，代入 ，又 ，解出 随随VG的增加而减小的增加而减小dSSSSxkddQC00011xkxkCCSdS2-2.

9、MOS电容的分阶段解释OSOCQVSGVV0SSGCQV0daBSxqNQQ022sdaSkxqN200000021SSGdSakkVXCCCqkN 2121202000202121GSaGSaOVxkqNkVkqNCCC2-2.MOS电容的分阶段解释SSsddQCSBSIddQddQ当外加电压增大到使表面耗尽层得到最大值,表面出现反型层第二项趋于零，这时C/CO1出现反型后，产生少子堆积，大量电子聚集半导体表面处，绝缘层两边堆积着电荷DE段当信号频率较高高时，反型层中电子的产生将跟不上高频信号的变化，即反型层中的电子的数量不能随高频信号而变，因此，高频信号时，反型层中的电子对电容没有贡献DG

10、段fsi23.MOS晶体管的沟道电导及阈值电压3-1.反型层与MOSFET的沟道 正VG的半导体强反型时对应的沟道图像 沟道的几何图形P沟道MOS晶体管3-2.沟道电导沟道电导密度电子数沟道宽度 当出现强反型时，即从上式可见，只有当VGVTH时，才会出现负的感应沟道电荷QZ，VTH称为阈值电压。3-2.沟道电导00000,()()ssisIBsBGsiBIGsiGTHQQQQQVCCQQC VC VVC 从VG可以得到VTH， 对于强反型的沟道，临界条件： 阈值电压定义：当形成强反型时，其能带结构满足 时的栅电压，VG称为阈值电压VTH即 其物理意义：a)VTH用去支撑空间电荷，生出体电荷QB

11、b)满足 的条件c)表面电子浓度nS=PP0 当VGVTH时，是形成强反型时所需要的最小栅电压。3-3.MOS的阈值电压0sGsQVC 2sf2sf02BTHfQVC 2sf 强反型的情况，即在大栅压情况下： 表明VG对gi贡献是线性增大作用。3-4.沟道电导与栅电压关系0InGTHZCVVLg4.平带电压与阈值电压 对理想MOS的平带点是VG=0时； 平带点条件的能带结构： 平带的理想条件，理想的MOS假设：a)Si与SiO2界面均无电荷；b)忽略了MOS金半功函数差 实际MOS的平带点：4-1.MOS的C-V曲线平带点 金-半功函数差的存在对MOS系统好比存在一个寄生电场 寄生电场的作用W

12、SiWM对半导体表面有作用，使表面能带弯曲 寄电场的大小V=-(WSi-WM)/q同-qS作用一样，它能使半导体表面能带向下弯曲。 要抵消-qV影响必须在金属上外加电压，使半导体恢复平带，注意VFB (金半功函数之差)4-2.金-半功函数对MOS C-V的影响msMsiFBqWWV4-3.SiO2中正电荷对C-V影响 SiO2中正电荷种类1.可移动离子电荷，来源于工艺沾污2.氧氧化物陷阱电荷，来源于辐射的影响3.氧化物固定正电荷，来源于SiO2生长中过剩硅4.界面陷阱正电荷，来源于断价键在四种正电荷中，影响最大，含量最多，来源最多的是可移动离子电荷，通常是Na+和K+等离子，可在高温下自由移动

13、，而第3、4种电荷与半导体晶轴方向有关，通常在(100)方向密度最小热氧化硅形成的Si-SiO2系统中的各类电荷 在MOS系统中，VG0，SiO2中正电荷作类似寄生电荷作用SiO2中正电荷对平带电压影响，将SiO2中正电荷对平带影响用平带电压VFB表示若QO移向靠近半导体一侧，则x=xO，VFB(I)=-QO/CO，若Q属分散型电荷，则： 当恢复平带时，金属栅上必须加外电压以抵消SiO2中正电荷对半导体表面的作用4-3.SiO2中正电荷对C-V影响xkQVOIFB0)(OOOOOOIFBxcxQxxQkxV)(0)( dxxxxcVdVOxOOFBIFB0)(1 理想下 非理想下，必须将ms，

14、VFB(I)考虑其中 将非理想条件的阈值电压看作：VTH+VTH，则1.第一项是为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；2.第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；3.第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压；4.第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。4-4.在非理想条件下MOS的阈值电压fBTHCQV20）2）（000)非(fBmsTHCQCQV Dielectrophoresis and Chemically Mediated Directed Self-Assembly of Micrometer-Scale Three-Terminal Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transi