第四章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础

微电子器件基础第四章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础引言所谓“MOS”指的仅是金属－二氧化硅（SiO2）－硅系统。更一般的术语是金属－绝缘体－半导体（MIS），其中的绝缘体不一定是二氧化硅，半导体也并非一定是硅。由于MIS系统有着类似的基本物理概念，在这一章里我们将始终讨论MOS系统。MOSFET的基本结构4.1双端MOS结构MOSFET的核心是金属－氧化物－半导体电容，其中的金属可以是铝或者一些其它的金属，但更通常的情况是在氧化物上面淀积高电导率的多晶硅；然而，金属一词通常被延用下来。4.1.1能带图外加负栅压的MOS电容器的电场和电流4.1.1能带图施加小的正偏栅压后的MOS电容器4.1.1能带图p型衬底MOS电容器的能带图4.1.1能带图n型衬底MOS电容器的能带图4.1.2耗尽层厚度我们可以通过计算求出于氧化物－半导体界面处的空间电荷区的宽度，下图所示为p型衬底半导体的空间电荷区示意图。4.1.2耗尽层厚度4.1.2耗尽层厚度上图示意了s=2fp时的能带图。表面处的费米能级远在本征费米能级之上而半导体内的费米能级则在本征费米能级之下。表面处的电子浓度等于体内的空穴浓度,这种情况称为阈值反型点,所加的电压称为阈值电压。如果栅压大于这个阈值，导带会轻微地向费米能级弯曲，但是表面处导带的变化只是栅压的函数。然而，表面电子浓度是表面势的指数函数。表面势每增加数伏特（kT/e），将使电子浓度以10的幂次方增加，但是空间电荷宽度的改变却是微弱的。在这种情况下，空间电荷区已经达到了最大值。4.1.3功函数差如图所示为零偏压下完整的金属－氧化物－半导体结构的能带图4.1.3功函数差如果我们把金属一侧的费米能级与半导体一侧的费米能级相加，可以得到：上式还可以写成其中：它称为金属－半导体功函数差。fpsOXmeeeeVe0'0')]2([''00fpgmsOXEV)]2([''fpgmmseE4.1.3功函数差掺杂多晶硅经常淀积在金属栅上，图a显示了具有n＋多晶硅栅和p型衬底的MOS电容的能带图。图b是p＋多晶硅栅和p型衬底的情况时的能带图。在掺杂多晶硅中，我们假设n＋的情况时EF＝Ec，而p＋的情况时EF＝Ev。4.1.4平带电压平带电压的定义为使半导体内没有能带弯曲时所加的栅压，此时净空间电荷为零。由于功函数差和在氧化物中可能存在的陷阱电荷，此时穿过氧化物的电压不一定为零。4.1.4平带电压在前面讨论中，我们已经隐含地假定了在氧化物中的净电荷密度为零。这种假设也许不成立――通常为正值的净的固定电荷密度可能存在于绝缘体之中，这些正电荷与氧化物－半导体界面处破裂或虚悬的共价键有关。在SiO2的热形成过程中，氧气穿过氧化物进行扩散并且在Si－SiO2界面处反应生成SiO2，硅原子也可以脱离硅而优先形成SiO2。当氧化过程结束后，过剩的硅原子会存在于界面附近的栅氧化层中，从而导致存在虚悬的共价键。通常，氧化电荷的多少大约是氧化条件的函数，诸如氧化环境和温度等。可以通过在氩气或氮气环境中对氧化物进行退火来改变这种电荷密度。4.1.5阈值电压MOSFET表面呈现强反型形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示TOXSFBVVVVVOX：栅电压VG降落在SiO2绝缘层上的部分VS：栅电压VG降落在半导体表面的部分VFB：平带电压4.1.5阈值电压强反型时的电荷分布QG：金属栅上的面电荷密度QOX：栅绝缘层中的面电荷密度Qn：反型层中电子电荷面密度QB：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB0GOXnBQQQQ4.1.5阈值电压理想状态MOSFET的阈值电压2120210maxln42iAAASdnNNqkTqNVx1.理想状态：Qox＝0，Vms＝02.沟道形成时的临界状态：Qn＝04.出现强反型后：xdxdmax210maxmax2SAdABVqNxqNQ4.1.5阈值电压GOXOXQVCGnBOXBQQQQQ理想假设条件下不考虑刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内QnQB栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB单位面积栅电容4.1.5阈值电压理想状态MOSFET的阈值电压BABQqNx112200224lnsssABBBiVkTNxqNqNn1202BsASQqNV空间电荷区宽度(强反型时可视为n＋p)栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB4.1.5阈值电压理想状态MOSFET的阈值电压12002sASBOXOXOXOXOXOXqNVQVCCCt栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB单位面积栅电容栅氧化层厚度4.1.5阈值电压理想状态MOSFET的阈值电压SoxGVVViAFSnNqkTVln22F21Fmax2222oxAFoxBTCqNCQV4.1.5阈值电压实际MOSFET的阈值电压（1）实际MOS结构的特点0,0msoxVQoxoxmsFBCQVV4.1.5阈值电压SoxFBGVVVV（2）理论推导FoxBoxoxmsTCQCQVV2maxmax2lnoxAdATNmsoxoxiQqNxNkTVVCCqnmsiDoxdDoxoxTpVnNqkTCxqNCQVln2maxNMOS：PMOS：4.1.5阈值电压（3）非平衡下之VTVDS0210max2ASdqNyVVx4.1.5阈值电压210maxmax)(2yVVqNxqNQSAdAB4.1.5阈值电压（4）衬偏电压VBS≠0210max||2ABSSdqNVyVVx210maxmax|)|(2BSSAdABVyVVqNxqNQmsiABSSAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2||)(212104.1.5阈值电压影响阈值电压的因素（1）栅电容Cox（2）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响4.1.5阈值电压影响阈值电压的因素（1）栅电容Cox选用较大介电系数的材料作栅介质膜减小氧化层厚度oxoxoxtC0oxC||TVoxt4.1.5阈值电压（2）接触电势尽量使得Vms=0用硅栅工艺（用多晶硅作栅极）SmmsWWVq''SmmsWWVq修正（由于金半之间有一层氧化层）P－SiN－SiiAmgmsnNqkTEqVln21||TPV||TnVmsVANDNmsViDmgmsnNqkTEqVln2100.30.60.9NBC101010141018Al（n-Si)Al（p-Si)NMOS4.1.5阈值电压（3）衬底杂质浓度的影响费米势：耗尽层电荷：Vms10131017cm-310510.01tox=100nmVTiAFnNqkTlniDFnNqkTln210maxmax22FAdABqNxqNQ210max22FABqNQNMOSPMOS4.1.5阈值电压（4）氧化层电荷密度的影响oxoxqNQNMOS：1）NA一定时，QoxVT（+0－）2）当时，NA在1015cm-3仍是VTn0，为DMOS3）比较低，可通过NA高低控制NA1015cm-3，才形成EMOS所以，NMOS易形成耗尽型VT630-3-6101110141017101110121210qQoxqQox21110cmqQox4.1.5阈值电压PMOS：VTp始终小于0，为EMOS欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅||oxQ||TPV0TpV4.1.6电荷分布栅氧化层界面处的反型层电子浓度（p型衬底）为ns=(ni2/Na)exp(∅s/Vt)。硅在T＝300K时的杂质掺杂浓度为Na＝1×1016cm－3，在阈值反型点的表面势为∅s=2∅p=0.695V。如我们先前讨论的那样，栅氧化层界面处的电子浓度为Ns＝1×1016cm－3，下图所示为表面处电子浓度随着表面势的增加而增大的曲线。如前所述，表面势的很小改变就可以使电子浓度迅速增加，从而使空间电荷宽度达到最大值。4.1.6电荷分布当φs2φfp时，称为强反型，因为随着表面势的增加反型电荷密度迅速增大，如图所示。4.2电容-电压特性MOS电容结构是MOSFET的核心。MOS器件和栅氧化层－半导体界面处的大量信息可以从器件的电容－电压的关系即C－V特性曲线中得到。器件的电容定义为：其中dQ为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压的微分变量的函数。这时的电容是小信号或称ac变量，可通过在直流栅压上叠加一交流小信号电压的方法测量出。因此，电容是直流栅压的函数dVdQC4.2.1理想C-V特性MOS电容有三种工作状态：即堆积、耗尽和反型。图a是加负栅压的p型衬底MOS电容的能带图，在栅氧化层－半导体界面处产生了空穴累积层。一个小的电压微分改变量将导致金属栅和空穴累积电荷的微分变量发生变化，如图b所示。这种电荷密度的微分改变发生在栅氧化层的边缘，就像平行板电容器中的那样。堆积模式时MOS电容器的单位面积电容C’就是栅氧化层电容，即oxoxtCoxaccC)('4.2.1理想C-V特性p型衬底MOS电容器理想低频电容和栅压的函数关系图4.2.1理想C-V特性n型衬底MOS电容器理想低频电容和栅压的函数关系图4.2.2频率特性能使反型层电荷密度改变的电子的来源有两处。一处来自通过空间电荷区的p型衬底中的少子电子的扩散。此扩散过程与反偏pn结中产生反向饱和电流的过程相同。另一处电子的来源是在空间电荷区中由热运动形成的电子－空穴对。此过程与反偏pn结中产生（反偏生成）电流的过程相同。反型层中的电子浓度不能瞬间发生改变，如果施加在MOS电容的交流（ac）电压变化很快，反型层中电荷的变化将不会有所响应。因此，C－V特性是交流信号频率的函数。4.2.2频率特性p型衬底MOS电容器低频和高频电容和栅压的函数关系图4.2.3固定栅氧化层和界面电荷效应到现在为止我们关于C－V特性的所有讨论，都假设理想氧化层中不含有固定的栅氧化层电荷或氧化层－半导体界面电荷。这两种电荷将会改变C－V特性曲线。通常，受主态存在于能带的上半部分，而施主态存在于能带的下半部分。若费米能级低于受主态，那么受主态是中性的，一旦费米能级位于其上时它将是负电性的。若费米能级高于施主态，那么施主态是中性的，一旦费米能级位于其下时它将是正电性的。因此界面电荷是MOS电容器栅压的函数。界面处的净电荷由正变负是由于栅压扫过了堆（累）积、耗尽和反型模式。可以看出由于固定氧化层电荷的存在C－V曲线向负栅压方向移动。当界面态出现时，随着栅压的扫描平移的大小和方向均发生了改变，这是因为界面陷阱电荷的数量和正负改变了。C－V曲线变得平滑了，如下图所示。4.2.3固定栅氧化层和界面电荷效应4.3MOSFET基本工作原理MOS场效应晶体管的电流之所以存在，是由于电荷在反型层或者与氧化层－半导体界面相邻的沟道区中流动形成的。我们已经讨论了增强型MOS电容中反型层电荷的形成机理。还可以制造出耗尽型的器件，这种器件在零栅压时沟道就已经存在了。4.4.1MOSFET的基本结构主要的结构参数：L,W,tox,NA.4.4.2电流－电压关系――概念--------------------------SGD--------------------------xyzLWN+N+P衬底tOXVDVG4.4.2电流－电压关系――概念4.4.3电流－电压关系――数学推演*在分析前，要做下