Lecture25-第六章--閾值電壓

1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓實(shí)際實(shí)際MOSMOS的的C-VC-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1、閾值電壓、閾值電壓(Threshold voltage)2、溝道電導(dǎo)、溝道電導(dǎo)(Channel conductance)3

2、、實(shí)際、實(shí)際MOS的的C-V特性特性 （1）影響）影響C-V特性的因素特性的因素 功函數(shù)的影響功函數(shù)的影響(Work function) 界面陷阱和氧化物電荷的影響界面陷阱和氧化物電荷的影響 （2）實(shí)際）實(shí)際MOS閾值電壓閾值電壓 （3）實(shí)際）實(shí)際MOS的的C-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province反型層在漏源之間的導(dǎo)電通道，稱為溝道。由于沿著垂反型層在漏源之間的導(dǎo)電通道，稱為溝道。由于沿著垂直溝道方向上電子濃度不同，電導(dǎo)率不同。平均

3、電導(dǎo)率直溝道方向上電子濃度不同，電導(dǎo)率不同。平均電導(dǎo)率表示為：表示為：I0Id)(1xxxxnI)()(xqnx 溝道寬度I0nIId)(1xxxqnxIInxQI0IId)(xxxqnQ感應(yīng)的溝道電荷感應(yīng)的溝道電荷 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceI0InId)(xxxnqLZgI0IId)(xQxxqnInIIQLZLZxg溝道電導(dǎo)為溝道電導(dǎo)為：I0Id)(1xxxxI0nIId)(1xxxqnx Micro Electromechan

4、ical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceInIQLZg)(THG0Si0BG0IVVCCQVCQ)(THG0nIVVCLZg溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSFET閾值電壓閾值電壓VTH是金屬柵下面的半導(dǎo)體表面出現(xiàn)強(qiáng)反型、是金屬柵下面的半導(dǎo)體表面出現(xiàn)強(qiáng)反型、從而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)所需加的柵源電壓。從而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)

5、所需加的柵源電壓。由于剛出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)，表面溝道中的導(dǎo)電電子很少，反型層的導(dǎo)由于剛出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)，表面溝道中的導(dǎo)電電子很少，反型層的導(dǎo)電能力較弱，因此，漏電流也比較小。電能力較弱，因此，漏電流也比較小。在實(shí)際應(yīng)用中往往規(guī)定漏電流達(dá)到某一值在實(shí)際應(yīng)用中往往規(guī)定漏電流達(dá)到某一值(如如50A)時(shí)的柵源電壓時(shí)的柵源電壓為閾值電壓。從使用角度講，希望閾值電壓為閾值電壓。從使用角度講，希望閾值電壓VTH小一些好小一些好。閾值電壓是決定閾值電壓是決定MOSFET能否導(dǎo)通的臨界柵源電壓，因此，它能否導(dǎo)通的臨界柵源電壓，因此，它是是MOSFET的非常重要參數(shù)。的非常重要參數(shù)。 Micro Electromechan

6、ical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceVGVTH，才出現(xiàn)負(fù)的感應(yīng)溝道電荷才出現(xiàn)負(fù)的感應(yīng)溝道電荷QI，則有閾值電壓：則有閾值電壓：或：或：強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)強(qiáng)反型時(shí)所需要的電壓：強(qiáng)反型時(shí)所需要的電壓：S0sS0GCQVVBISSiS ,QQQSi0B0IGCQCQV)()(THG0Si0BG0IVVCCQVCQSi0BTHCQVfSi2 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology

7、 of Anhui Province對(duì)于鋁的功函數(shù)比對(duì)于鋁的功函數(shù)比P P型硅的小型硅的小( (前者的費(fèi)米能級(jí)比后者的高前者的費(fèi)米能級(jí)比后者的高) )構(gòu)構(gòu)成成MOSMOS系統(tǒng)，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)；功函系統(tǒng)，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)；功函數(shù)差的存在使面對(duì)二氧化硅一側(cè)的硅表面形成空間電荷區(qū)。數(shù)差的存在使面對(duì)二氧化硅一側(cè)的硅表面形成空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)中能帶將向下彎曲；這意味著當(dāng)空間電荷區(qū)中能帶將向下彎曲；這意味著當(dāng)MOSMOS系統(tǒng)沒(méi)有外加系統(tǒng)沒(méi)有外加偏壓時(shí)，半導(dǎo)體表面就存在著表面勢(shì)偏壓時(shí)，半導(dǎo)體表面就存在著表面勢(shì) ，且且 00。因此，欲使能帶平直，即除去功函數(shù)差所帶

8、來(lái)的影響，就必因此，欲使能帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來(lái)的影響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓。須在金屬電極上加一負(fù)電壓。SS Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于金屬由于金屬- -半導(dǎo)體功函數(shù)差導(dǎo)致空間電荷區(qū)能帶向下彎曲半導(dǎo)體功函數(shù)差導(dǎo)致空間電荷區(qū)能帶向下彎曲鋁的相對(duì)于鋁的相對(duì)于SiOSiO2 2修正功函數(shù)修正功函數(shù)硅的相對(duì)于硅的相對(duì)于SiOSiO2 2修正功函數(shù)修正功函數(shù) Micro Electromechanical System Res

9、earch Center of Engineering and Technology of Anhui Province使能帶平直，需在金屬電極上加一負(fù)電壓：使能帶平直，需在金屬電極上加一負(fù)電壓：)P-SiO-Al0,( )(Si2mssmmsSFpFM系統(tǒng)對(duì)于qqqqEEsmmsG1VqEEV)(FpFMG1 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province根據(jù)上圖，可得硅的修正功函數(shù)：根據(jù)上圖，可得硅的修正功函數(shù)：V)8 . 3(21 . 125. 3

10、ffs修正親和勢(shì)實(shí)驗(yàn)值修正親和勢(shì)實(shí)驗(yàn)值 ：Eg1.1eV)(smG1qVG1qV圖圖6-11 6-11 Al-SiOAl-SiO2 2-Si-Si結(jié)構(gòu)的能帶圖結(jié)構(gòu)的能帶圖eV25. 3 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于接觸電勢(shì)差的出現(xiàn)，使得平帶狀況所對(duì)應(yīng)的外由于接觸電勢(shì)差的出現(xiàn)，使得平帶狀況所對(duì)應(yīng)的外加偏壓加偏壓VG=0改變?yōu)楦淖優(yōu)閂G=VG1。外加偏壓。外加偏壓VG的一部分的一部分VG1用于使能帶平直，另一部分用于使能帶平直，另一部分

11、VGVG1起到理想起到理想MOS系統(tǒng)的作用。實(shí)際系統(tǒng)的電容系統(tǒng)的作用。實(shí)際系統(tǒng)的電容C作為作為VGVG1的的函數(shù)，與理想函數(shù)，與理想MOS系統(tǒng)的電容系統(tǒng)的電容C作為作為VG的函數(shù)，在的函數(shù)，在形式上應(yīng)該是一樣的。形式上應(yīng)該是一樣的。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province圖圖6-12 6-12 熱氧化形成的熱氧化形成的Si-SiOSi-SiO2 2系統(tǒng)中的各類電荷系統(tǒng)中的各類電荷熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)MOSMOS系統(tǒng)，還受到氧化層電荷和系統(tǒng)，還受到氧化

12、層電荷和Si-SiOSi-SiO2 2界面陷阱的影響界面陷阱的影響 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province界面陷阱電荷界面陷阱電荷Qit，歸功于歸功于Si-SiO2界面性質(zhì)，并取決于界面的界面性質(zhì)，并取決于界面的化學(xué)成分；化學(xué)成分；1、在、在Si-SiO2界面上的陷阱，其能級(jí)位于硅禁帶之內(nèi)。界面上的陷阱，其能級(jí)位于硅禁帶之內(nèi)。2、界面態(tài)密度、界面態(tài)密度(單位面積陷阱數(shù)單位面積陷阱數(shù))和晶面取向有關(guān)。和晶面取向有關(guān)。3、在、在(100)面界面態(tài)密度

13、比面界面態(tài)密度比(111)面的約少一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于面的約少一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于硅硅(100)面，面，Qit很低，約很低，約1010cm-2，即大約即大約105個(gè)表面原子才有個(gè)表面原子才有一個(gè)界面陷阱電荷，對(duì)于硅一個(gè)界面陷阱電荷，對(duì)于硅(111)面，面， Qit約為約為1011cm-2 。 界面陷阱電荷界面陷阱電荷Qit Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province氧比物固定電荷氧比物固定電荷Qf位于位于Si-SiO2界面約界面約3nm的范圍內(nèi)，這些電荷的范

14、圍內(nèi)，這些電荷是固定的，在表面勢(shì)是固定的，在表面勢(shì) 大幅度變化時(shí)，它們不能充放電。大幅度變化時(shí)，它們不能充放電。 Qf通通常是正的，并和氧化、退火條件以及常是正的，并和氧化、退火條件以及Si的晶面取向有關(guān)，經(jīng)過(guò)的晶面取向有關(guān)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)處理的仔細(xì)處理的Si-SiO2系統(tǒng)，系統(tǒng)，(100)面的氧化層固定電荷密度的典型面的氧化層固定電荷密度的典型值為值為1010cm-2，(111)面的為面的為51010cm-2。 氧化物固定電荷氧化物固定電荷QfS Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology

15、 of Anhui Province氧比物陷阱電荷氧比物陷阱電荷Qot和二氧化硅缺陷有關(guān)。這些陷阱分布在和二氧化硅缺陷有關(guān)。這些陷阱分布在二氧比硅層內(nèi)；和工藝過(guò)程有關(guān)二氧比硅層內(nèi)；和工藝過(guò)程有關(guān)Qot大都可以通過(guò)低溫退火大都可以通過(guò)低溫退火來(lái)消除。來(lái)消除。 氧化物陷阱電荷氧化物陷阱電荷Qot Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷Qm(諸如鈉離子和其他堿金屬離子諸如鈉離子和其他堿金屬離子) 在高溫和高在高溫和高壓下工作時(shí)，

16、它們能在氧化層內(nèi)移動(dòng)；半導(dǎo)體器件在高偏置壓下工作時(shí)，它們能在氧化層內(nèi)移動(dòng)；半導(dǎo)體器件在高偏置電壓和高溫條件下工作時(shí)的可靠性問(wèn)題可能和微量的堿金屬電壓和高溫條件下工作時(shí)的可靠性問(wèn)題可能和微量的堿金屬離子沾污有關(guān)。在高偏置電壓和高溫條件下，可動(dòng)離子隨著離子沾污有關(guān)。在高偏置電壓和高溫條件下，可動(dòng)離子隨著偏置條件的不同可以在氧化層內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，引起偏置條件的不同可以在氧化層內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，引起C-V曲線沿曲線沿電壓軸移動(dòng)。因此，在器件制造過(guò)程中要特別注意可動(dòng)離子電壓軸移動(dòng)。因此，在器件制造過(guò)程中要特別注意可動(dòng)離子沾污問(wèn)題。沾污問(wèn)題。 可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷Qm Micro Electromechanic

17、al System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province設(shè)單位面積上有正電荷設(shè)單位面積上有正電荷Q0位于位于x處的一薄層內(nèi)。這些正電荷會(huì)處的一薄層內(nèi)。這些正電荷會(huì)在正金屬表面上感應(yīng)一部分負(fù)電荷在正金屬表面上感應(yīng)一部分負(fù)電荷QM，在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出一部分負(fù)電荷一部分負(fù)電荷QS，并且并且QM+QS=Q0；由于由于QS的出現(xiàn)的出現(xiàn)，在沒(méi)有外在沒(méi)有外加偏正加偏正VG的情況下，半導(dǎo)體表面內(nèi)也將出現(xiàn)空間電荷區(qū)，能的情況下，半導(dǎo)體表面內(nèi)也將出現(xiàn)空間電荷區(qū)，能帶發(fā)生彎曲，半導(dǎo)體表面帶有正的表面勢(shì)帶發(fā)生彎

18、曲，半導(dǎo)體表面帶有正的表面勢(shì) 。S Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province顯然，有：顯然，有：?jiǎn)挝幻娣e的總氧化層電容單位面積的總氧化層電容為克服該表面勢(shì)，可以在金屬電極上加一負(fù)電壓為克服該表面勢(shì)，可以在金屬電極上加一負(fù)電壓VG2，使得金屬使得金屬上負(fù)的面電荷上負(fù)的面電荷QM增加到與絕緣層中的正電荷增加到與絕緣層中的正電荷Q0數(shù)值相等，這樣數(shù)值相等，這樣使氧化層的正電荷發(fā)出電力全部終止到金屬電極上而對(duì)半導(dǎo)體使氧化層的正電荷發(fā)出電力全部終止到金屬電極

19、上而對(duì)半導(dǎo)體表面不發(fā)生影響。這時(shí)半導(dǎo)體表面恢復(fù)到平帶情況表面不發(fā)生影響。這時(shí)半導(dǎo)體表面恢復(fù)到平帶情況(不考慮功函不考慮功函數(shù)差的影響數(shù)差的影響)。即：即：xC0CQV0G200000G2xxCQxQV Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceVG2 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro

20、Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為(x)，則有：則有：式中：式中：有效面電荷，依賴于其在絕緣層中的分布情況有效面電荷，依賴于其在絕緣層中的分布情況單位面積的電荷單位面積的電荷0os000G20d)(1CQxxxxCVxxxxxCVd)(1d00G2000osd)(xxxxxQ00000G2xxCQxQV(6-4-5)(6-4-4)(6-4-6)CQV0G2 Micro Ele

21、ctromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province同理，如果已知氧化層內(nèi)陷阱電荷的體密度同理，如果已知氧化層內(nèi)陷阱電荷的體密度ot(x)和可動(dòng)離子電和可動(dòng)離子電荷體密度荷體密度m(x) ，則可以得到，則可以得到Qot和和Qm，以及它們各自對(duì)平帶電，以及它們各自對(duì)平帶電壓的影響：壓的影響：把上述四種電荷稱為氧化層電荷，記為把上述四種電荷稱為氧化層電荷，記為Q0，在大多數(shù)情況，在大多數(shù)情況，在在Si-SiO2界面上由表面態(tài)引起的電荷占優(yōu)勢(shì)。界面上由表面態(tài)引起的電荷占優(yōu)勢(shì)。000m

22、0m0ot0otd)(d)(xxxxxxQxxxxQ(6-4-8)(6-4-8) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province取取 x=x000000G2xxCQxQV00G2CQVsmmsG1VSi0BTHCQV00msG2G1FBCQVVVSi0B00msSi0BFBTHCQCQCQVV四種電荷稱為氧化四種電荷稱為氧化層電荷，記為層電荷，記為Q0。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province實(shí)際閾值電壓影響因素：實(shí)際閾值電壓影響因素：為消除半導(dǎo)體與金屬感函數(shù)差的影響；金屬電極相對(duì)于半導(dǎo)體所需為消除半導(dǎo)體與金屬感函數(shù)差的