（微电子学与固体电子学专业论文）功率器件中的mos电容非线性研究.pdf

摘要 摘要 功率m o s f e t 由于其耐压高电流大，开关速度快，安全工作区稳定，电压驱动等特点，在开关 电源、电机驱动、工业控制、汽车电子、日常照明、家用电器等领域得到了广泛应用。在功率m o s f e t 的设计中，m o s 电容带来的非线性问题一直是研究的重点和难点。本文从器件结构和工艺参数的角 度，对标准m o s 管和功率器件的m o s 电容的非线性进行了分析研究。 本文首先介绍了m o s 结构的电容非线性机理，理想的m o s 结构电容c v 特性，以及实际应用 中m o s 结构电容c v 特性。然后，比较了m o s 结构的电容和标准m o s 管电容在特性方面的差异 及成因，并借助t c a d 模拟软件，模拟研究了不同的结构和工艺参数对标准m o s 管电容非线性的 影响，研究了m o s 管的两种电容线性化方法及其在压控振荡器中的应用。在m o s 管电容的研究基 础上，分别模拟研究了不同结构和工艺参数对功率器件l d m o s 和v d m o s 的电容非线性的影响， 包括漂移区注入剂量、场氧厚度、栅氧厚度、沟道注入剂量对l d m o s 的栅漏电容非线性的影响， 以及外延层厚度、p b o d y 注入剂量、栅氧厚度、n s d 注入剂量对v d m o s 的栅电容非线性的影响。 本文对m o s 电容c v 非线性的研究不同于以往直接根据测量数据建立的电容c v 模型研究， 而是通过模拟得到c v 特性变化规律，再结合器件物理进行分析变化机理，找到了通过沟道注入工 艺改善标准m o s 管电容非线性的方法，能够在一定程度上指导如何根据需要设计m o s 电容，并从 多种结构和工艺参数角度，提出了减小功率器件中寄生m o s 电容非线性影响的方法。 关键词：m o s 电容、非线性、l d m o s 、v d m o s 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rm o s f e th a sh i g hb r e a k d o w nv o l t a g e ，l a r g ee l e c t r i cc u r r e n t ，h i g hs w i t c hs p e e d ，s t e a d ys a f e o p e r a t i o n a r e a ，a n di sd r i v e nb yv o l t a g e ，i th a sb e e nw i d e l yu t i l i z e di nm a n yf i e l d ss u c ha sp o w e rs w i t c h ， m o t o rd r i v i n g ，i n d u s t r yc o n t r o l ，a u t o m o b i l ee l e c t r o n ，l i g h t i n g ，s m a l la p p l i a n c e s ，a n ds oo n d u r i n gp o w e r m o s f e td e s i g n i n g ，t h en o n l i n e a r i t yo fm o sc a p a c i t a n c ec a u s e ss o m ek i n d so fp r o b l e m s ，a n dh o wt o s o l v et h e s ep r o b l e m sh a sb e c o m ead i f f i c u l ts u b j e c t i nt h i sp a p e r , t h en o n l i n e a r i t yo fs t a n d a r dm o s f 砸t s a n dp o w e rd e v i c e sm o sc a p a c i t a n c ea r er e s e a r c h e d ，b a s e do nd e v i c es t r u c t u r ea n dp r o c e s s f i r s to fa l l ，t h en o n l i n e a rm e c h a n i s mo fm - o ss y s t e mc a p a c i t a n c e ，i t si d e a lc vc u r v e ，a n dt h ec v c u r v ew h i c hi si n f l u e n c e db yd i f f e r e n t p r a c t i c a l f a c t o r sa r gi n t r o d u c e d a f t e rt h a t t h ed i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nm o ss y s t e mc a p a c i t a n c ea n ds t a n d a r dm o s f e tc a p a c i t a n c ea r ec o m p a r e d ，a n d t h er e a s o n sf o rt h o s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo nt h en o n l i n e a r i t yo fs t a n d a r dm o s f e t c a p a c i t a n c e ，w h i c hi s c a u s e db yv a r i e dd e v i c es t r u c t u r ea n dp r o c e s s 。i sa l s os t u d i e dt h r o u g ht c a d s i m u l a t i o n t w om e t h o d st ol i n e a r i z em o s f e tc a p a c i t a n c ea n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nv c 0a r ed i s c u s s e d b a s e do nm o s f e tc a p a c i t a n c er e s e a r c h t h ei n f l u e n c eo nt h en o n l i n e a rm o sc a p a c i t a n c eo fl d m o sa n d v d m o sc a u s e db yd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dp r o c e s s e s ，s u c ha st h ed o s a g ei nd r i f ta r e a 。t h et h i c k n e s so ff i e l d o x i d e ，t h et h i c k n e s so fg a t eo x i d e ，a n dt h ed o s a g ei nc h a n n e la r e ao fl d m o s ，a sw e l la st h et h i c k n e s so f e p i t a x y , t h ed o s a g ei np b o d y , t h et h i c k n e s so fg a t eo x i d e ，a n dt h es o u r c ej u n c t i o nd e p t ho fv d m o s ，i s r e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hm e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lc vr e s e a r c hb a s e do nt h em e a s u r e d d a t a w eo b t a i n e dv a r i e dc vc u r v e sb yt c a ds i m u l a t i o nf i r s t l y , a n dt h e n w ea n a l y z e dt h ec a u s ew i t h d e v i c ep h y s i c sk n o w l e d g ea n dp u tf o r w a r di m p r o v e m e n t s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rh o l d st h e o r ys i g n i f i c a n c e f o rt h er e s e a r c hm e t h o do fn o n l i n e a rm o sc a p a c i t a n c e k e yw o r d s ：m o sc a p a c i t a n c e ，n o n l i n e a r i t y , l d m o s ，v d m o s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：安生蛰日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 刷磴锄攀飙一 第一章绪论 第一章绪论 本章主要对功率半导体器件的发展历程，国内外功率半导体的发展状况，所面临的问题以及未 来发展的趋势作了简要的介绍。并在此基础上指出了本课题的研究背景、现状与意义，最后说明了 本文的主要工作。 1 1 功率半导体器件的发展n 1 功率半导体器件的发展是电力电子技术发展的基础，功率半导体器件几乎应用于所有的电子制 造业。国际上功率半导体的制造作为一个重要的技术领域一直在迅速发展。上世纪8 0 年代是国际发 展中的重要分水岭：功率半导体由电流控制发展到电压控制，由低频发展到高频，由粗放的台面制 造工艺发展到精细光刻的平面制造工艺。 8 0 年代以前主要功率半导体器件是晶闸管( 在美国称作可控硅s c r ) 、栅极可关断晶闸管 ( g t o ) 、双极功率晶体管( 功率b j t ，曾用g t r 的名称) 以及与之配套的开关速度较慢的功率二 极管。这一代功率开关的共同缺点是栅极需要电流驱动，驱动电路技术复杂、功耗大、成本高、使 用不便。它们的另一缺点是工作频率低，所需要的配套电感、电容、变压器等体积大，从而使得设 备笨重，能耗高。8 0 年代国际上功率半导体发展进入一个新的阶段，发展出了功率金属一氧化物一半 导体场效应晶体管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，立即成为功率半导体器件的主流。 因为它们克服了以前的功率半导体器件的缺点。m o s f e t 的栅极用电压驱动，输入阻抗高，做功率开 关使用时，所需驱动电流小，驱动功率小，驱动电路简单，功率增益大且稳定性好；m o s f e t 没有 少子存储效应，所以工作频率高，开关速度快，开关损耗小；由于m o s f e t 是多子器件，其沟道迁 移率随温度的上升而下降，因而在大电流下有负温度系数，无电流集中和二次击穿现象，安全工作 区宽，热稳定性好。i g b t 又将m o s f e t 与g t r 的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳 定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。表1 1 中列出了各种功率器件 的特点和水平幢卜u 。 表1 1 功率半导体器件特点和水平比较表 器件特点 水平 普通晶闸管1 ) 电流控制器件，电流增益大，导通电阻小3 5 0 0 a ( s c r )2 ) 开关速度低3 ) 门极不能关断，只能控制单向电流6 5 0 0 v 可关断晶闸管1 ) 同s c r l )2 ) 开关速度比s c r 高 3 0 0 0 a ( g t o ) 3 ) 门极能关断阳极电流，只能控制单向电流 4 5 0 0 v 双极型晶体管1 ) 电流控制器件，导通电阻小 4 d o a ( g t r ) 2 ) 有少子存贮效应，限制了开关速度 1 2 0 0 v 3 ) 正电流温度系数，有二次击穿 东南大学硕士学位论文 功率m o s 管1 ) 电压控制器件，注入阻抗高，驱动电流小，驱动功率低 5 a ，1 0 0 0 v 2 ) 无少子存贮效应，开关速度快 4 5 a ，5 0 0 v 3 ) 负电流温度系数，无二次击穿，热稳定性好 绝缘栅晶体管1 ) 电压控制器件，输入阻抗高，驱动电流小，驱动功率低1 0 a ，1 8 0 0 v ( i g t ) 2 ) 有少子存贮效应，下降时间较长5 0 a ，1 5 0 0 v 3 ) 导通电阻小 i o o a ，1 2 0 0 v 功率m o s 器件是从标准m o s 器件发展而来，在保留标准m o s 速度快、功耗小等优点的基础 上努力增大工作电压电流从而提高功率。标准m o s 的衬底掺杂浓度较低，源漏高浓度掺杂，漏端电 压增加时，耗尽区主要向衬底延伸，因此要提高耐压，需要采用高阻衬底；同时为了防止穿通，需 要增加沟道长度l 。标准m o s 器件的漏电流与沟道长度l 成反比，即i do c1 l 。因此增加l 必然 会降低器件工作电流，从而无法提高功率。为了解决这一矛盾，1 9 7 1 年t a r u i 等人提出了横向双扩 散m o s 即l d m o s ，如图1 1 所示。与标准m o s 器件相比l d m o s 主要有两点不同：一、沟道与 漏之间增加了较长的低浓度n 漂移区。由于该区的杂质浓度远远低于沟道的杂质浓度，当漏电压增 加时，耗尽区主要向低浓度的漂移区延伸。二、沟道区的长度主要由两次扩散的结深来控制，因此 l 可以做得很小而不受光刻精度的限制。如果需要更大的电流，只要增加沟道宽度。1 9 7 6 年， m j d e c l e r q 和j d p l u m m e r 采用这种方案做出了第一个高压大电流l d m o s 器件。 g n + jiin + 计汕 图1 1u ) m o s 截面及掺杂示意图 l d m o s 总体上分为n o n r e d u c e d s u r f a c e f i e l d ( n o n r e s u l 疆) l d m o s 和r e s u r fl d m o s 两种。r e s u r f 的原意是降低表面场技术，实际上是轻掺杂层降低器件表面的电场强度。r e s u r f l d m o s 的漂移区在有源区上单独扩散形成，或者外延层很薄，衬底可以辅助沟道使漂移区耗尽展 宽，器件漏端加较高耐压时整个漂移区完全耗尽，峰值电场最大值在体内的p n 结，器件失效时在 体内击穿。 l d m o s 虽然较好地解决了提高耐压和增大电流之间的矛盾，但管芯占据地硅片面积太大，硅 片表面利用率不高，器件的频率特性也受影响。s i l i c o n i x 和i r ( i n t e m a t i o n a lr e c t i f i e r ) 推出的垂直功 率m o s ( w m o s ) 较好地解决了这个问题。其结构如图1 2 所示。 2 第一章绪论 图1 2v v m o s 结构示意图 比较l d m o s 和v v m o s 可知，垂直m o s 与横向m o s 的最大区别是将漏区、漂移区和沟道区 从硅片表面分别转移到硅片底部和体内，而且对应每个v 形槽有两条沟道，因此管芯占用地硅片面 积大大地缩小。这不仅大大地提高了硅片表面地利用率，而且器件的频率特性也得到了很大的改善， 使功率器件向大功率领域迈进的过程中又前进了一大步。 但进一步的研究发现，上述垂直m o s 管结构存在如下一些缺点：一、在v 槽的顶端存在很强 的电场，这会严重的影响器件击穿电压的提高；二、器件的导通电阻较大：三、v 槽的腐蚀不大容 易控制可靠性下降。为了克服这个缺点，后来v a k t e m p l e 等人提出了如图1 3 所示垂直的u 槽结 构( 习惯称v u m o s ) 。这里的u 形槽是通过控制腐蚀v 槽的两个斜面刚进入n 一漂移区但还未相交 时停止腐蚀得到的，当这种结构的栅上施加正偏电压时，不仅在p 型沟道区会形成反型层，而且在 栅极覆盖的n 一漂移区中还会产生积累层。 褊( d ) a 一嘿秦曩 | 巡旦掣o ：7 。掣旦掣 i | ； 一 1 j ， 淋漂移逐 ， l划+ 湍( 1 ：l 图1 3v u m o s 结构示意图图1 4v d m o s 结构示意图 源极电流经过反型层流入该积累层，然后积累层将电流如图1 3 中虚线所示那样分配到漏极。 选取栅极覆盖的漂移区宽度，可使器件的导通电阻大大减小，同时也避免了v 槽顶端的强电场出现。 然而u 槽的腐蚀同v 形槽一样难于控制，栅氧化层也一样暴露。为此，1 9 7 9 年h w c o l l i n s 等人提 出了一种不需要腐蚀v 槽或u 槽并且不暴露栅氧化层的垂直双扩散m o s ( 习称v d m o s ) ，其结构 如图1 4 所示。其中多晶硅栅被埋藏在源极金属的下面，源极电流穿过水平沟道，经过栅极下面的 积累层再经过垂直n 一漂移区流到漏极。这种结构的功率m o s ，工艺上与现在的高度发展的超大规 3 东南大学硕士学位论文 模集成电路( v l s i ) 工艺相兼容，因此发展很快。 v d m o s 虽然较好地克服了v v m o s 和v u m o s 的缺点，使器件耐压水平、可靠性和制造工艺 方面前进一大步，但其导通电阻仍然很高。要降低导通电阻，就要减小图1 4 中n 一漂移区的厚度和 电阻率，但这样又会使器件的耐压降低。因此，导通电阻和耐压之间的矛盾成为了v d m o s 进一步 发展的主要矛盾。 1 9 7 9 年b w w e s s e l 和b j b a l i g a 提出了场控晶闸管可以说是解决了上述矛盾的一个雏形，其结 构如图1 5 所示。该器件工作时，阴极接地，栅极便加上阳极。由于导通时来自阳极和阴极的过剩 载流子的注入，在n 一区产生强烈的电导调制效益，使器件的导通电阻大大降低。它的不足之处是关 断时需要大的栅极驱动电流。另外，在没有栅压时，器件处于常开态，而且电路不能保证开启工作。 p + j k 上i l 匕 l p + p + , j 2 j 1 图1 5 场控晶闸管结构 为了获得不仅具有低导通电阻、高耐压性能，而且只需要很小栅极驱动电流的功率半导体器件， 研究者们开始研究各种m o s 与双极型器件的复合结构，它们大致可分为m o s 管与双极晶体管的复 合和m o s 管与双极晶闸管的复合两类。 ( a ) 达林顿结构 ( b ) i i 0 s 栅控( g t ) 结构 图1 6m o s 与双极型器件的复合结构 图1 6 ( a ) 是m o s 管与双极管的复合结构之一达林顿( d a r l i n g t o n ) 结构。其输入端是m o s 的栅极，具有很高的输入阻抗和很小的栅极驱动电流：这种接法的输出电流基本上由双极型晶体管 控制，因而其导通电阻很低，而且电流容量大。但这种复合结构的缺点，即它的开关速度等性能仍 受双极型晶体管的限制。由于双极型晶体管t o 存在少子存储效应，当t 0 从饱和导通状态截至时， 关断时间较长，因而这种结构的开关速度慢。为此t t a n a k a 等人于1 9 8 5 年提出了如图1 6 ( b ) 所示 的所谓m o s 栅控管( m o s - - g a t e t e dt r a n s i s t o r 简称m g t ) 结构。它与上述达林顿接法的差别是在 双极型晶体管t o 的基极、发射极间又并联了一个m o s 管配。它的优点是缩短了器件的关断时间， 4 第一章绪论 提高了器件的开关速度，而且m g t 的反向阻断电压也由集一射间击穿vc b r ，c e o 变为集一基间击穿 电压v ( b r ) c b o ，也得到了提高。 随着v d m o s 的普遍应用，各种新结构的v d m o s 器件和b c d 器件相继出现，d m o s 与b i p o l a r 、 c m o s 器件的结合也成为未来发展的方向之一n 2 卜n 盯。 功率场控器件的进一步发展，除了继续提高器件的功率控制容量( 提高工作电压，增大工作电 流) 和器件的性能参数指标( 工作频率，开关速度、导通电阻等) 外，一个重要的趋势是向集成化 方向发展。即将输出功率器件与信息处理系统及其外围电路、保护电路、检测诊断电路等都集成在 同一芯片上，这就是所谓的功率集成电路( 简称p i c ) 。 目前，通常将p i c 分为两类：一类是所谓高压集成电路( 简称h v i c ) ，它是横向高压器件与起 控制作用的传统逻辑电路或模拟电路的单片集成；另外一类是所谓的智能功率集成电路( 习称 s m a r tp o w e r ) ，它是纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路以及传感器保护电路的单片集成。 最早的h v i c 采用的是高压晶体管结构。其优点是可以增加输出电流，但是为了获得高的击穿 电压需要生长厚的外延层，这会给低压电路的性能带来很不利的影响。1 9 7 9 年j a a p p e l e 等人发明 了横向电荷控制技术( 简称l c c 技术或r e s u r f 技术) 使得人们不需要生长厚外延层，可用传统 的低压集成技术在5 8 9 m 的薄外延层上制造出高达1 2 0 0 v 的横向高压器件来。 智能功率集成电路的智能表现在这种电路具有控制，接口和自动保护三方面的功能。为了实现 自动保护，通常都设有一个带传感器的保护电路来切断处于危险状态之中的主回路。因此，采用敏 感元件及其相应的传感器电路是当前s m a r tp o w e r 的一个趋势。由于s m a r t p o w e r 中用的纵 向功率器件，其集电极就是在芯片的衬底，故可能会影响s m a r tp o w e r 在某些重要领域的应用。 1 2 功率半导体器件的应用 器件的工作频率( h z ) 图1 7 功率半导体典型应用范围 5 邑阱督似骚螺撕 东南大学硕士学位论文 随着功率半导体器件的功率容量不断的增加和性能的不断提高，其应用范围也在不断扩大。图 1 7 给出了目前功率半导体器件的典型应用领域以及系统额定功率与器件工作频率的关系。结合功率 半导体器件的功率控制容量与工作频率的关系图可见：高压直流输电、马达传动等低频大功率领域 是晶闸管( 可控硅) 的主要用武之地；不停电电源、输电、感应加热等，是工作频率较高；额定功 率中等( 在1 0 1 0 0 k w 数量级) ，适合于功率不大场合，只有功率m o s 才能胜任。从图中可以看到 只要系统的额定功率不太大( 在1 k w 以下) ，从低频到高频的各个领域功率m o s 都适用。事实上， 由于功率m o s 本身所具有的特点他已经在开关电源，d c - - d c 变化，i x 2 - - a c 变换( 逆变器) ，快 速开关变换，高保真音频放大，各种模拟开关，高速磁心驱动，继电器或螺旋管驱动，c m o s 、1 l 和l s i 接口，马达控制，汽车电子化，照明，感应加热，射频通讯等领域得到广泛的应用。图1 8 给出了各应用领域对功率m o s 的耐压与频率的要求。 1 0 0 0 5 0 0 趟 面2 0 0 1 0 0 5 0 1 频率( h z ) 图1 8 各应用领域的工作电压和频率 1 3 课题研究意义及主要工作 人们研究功率m o s 器件，为了得到高压大功率特性的同时，也越来越关注其频率特性。因为 在电路设计中m o s 电容非线性对于频率特性的影响非常关键，而且和许多其他性能参数相互制约， 例如在充放电电路中，电容的非线性会引起输出电压相当大的失真。人们从电路优化的角度，找到 了诸如使用线性电阻的源极负反馈的方法来改善非线性，取得了一定效果。 本文的课题背景来源于红外焦平面读出电路中的积分单元电路，如图1 9 所示，其中的电容采 用m o s 电容，在研究电路的输入输出特性时，由于m o s 电容非线性导致输出电压有所漂移，所以 需要对m o s 电容非线性进行研究分析。对于m o s 器件的电容模型，目前主要是根据实际测试结果 进行建立，而本文提出了从器件结构和工艺参数的角度，对m o s 电容非线性进行研究的方法。 以m o s 管电容非线性为基础，本文随后着重研究功率器件中的寄生m o s 电容非线性，以 l d m o s 栅漏电容和v d m o s 栅电容为对象，通过t s u p r e m 4 模拟得到不同结构和工艺参数下的器件 6 第一章绪论 结构以后，用m e d i c l 分析其c v 特性，再结合器件物理分析差异以及成因，研究了不同结构和工 艺参数对器件寄生电容非线性的影响，并找到改善非线性的方法。 图1 9 红外焦平面读出电路 7 东南大学硕士学位论文 第二章m o s 电容的机理分析 m o s 电容结构是m o s f e t 的核心。m o s 器件和栅氧化层半导体界面处的大量信息，可以从器 件的电容电压关系即c v 特性曲线中得到。器件的电容定义为 ，一尥 l 一一 d y ( 2 - 1 ) 其中d q 为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压d v 的微分变量的函数。这时的电容是小 信号或称交流变量，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。首先，我们需要了解理想m o s 电容的c v 特性。 2 1理想m o s 电容模型n 2 1 以p 型衬底为例，理想的m o s 结构，如图2 1 ，应该满足以下条件： ( 1 )金属与半导体间功函数差为零； ( 2 ) 在氧化层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电； ( 3 ) 氧化层与半导体界面处不存在任何界面态。 此时，m o s 结构的电容c 可以看作氧化层电容c 弧和半导体空间电荷电容c 。的串联，见图2 2 的等效电容图。 s i 0 2 p - s i c o x c s c 图2 1m o s 结构图图2 2m o s 结构简化寺双电谷 于是有 去：去+ 士( 2 - 2 ) 一= 一p c c d x c s c 其中单位面积的氧化层电容c 傩由氧化层厚度t o x 确定，即 c k ：_ e o e o x ( 2 - 3 ) o x e 为真空电容率。e 。为氧化物介电常数，c 一与偏压v 无关。而单位面积的半导体空间电荷 8 上工t 第二章m o s 电容的机理分析 = 警a v ( 2 枷 。 嗜竺一 p 6 ， 度，表达式为l 。= 4 2 , s e o k o t q 2 p e o ，f 函数是表征半导体空间电荷层性质的一个重要参数，它 f 学，等 - 瞰卅学，+ 丽q v 叫+ i n t , o 泓p c 学，一学刈，； c 2 忉 2 2理想m o s 的c v 特性 图2 3 是理想p 型衬底m o s 电容的c v 曲线，可以看到m o s 电容随着栅电压的不同，经历了 几个不同的状态，下面分情况讨论它。 图2 3 理想m o s 电容c v 曲线 9 频 频 东南大学硕士学位论文 1 ) 外加栅压v g = 0 时，表面势v 。= o ，表面处能带不发生弯曲，处于平带状态。如图2 4 所示： e c e i e f e v 这时，根据式( 2 - 7 ) 很容易求得f 【g k 丁，oip p o 】- 0 ，从而e s = o ，q 。= o 。表面空间 电荷电容则不能直接以v 。= 0 代入式( 2 6 ) 得到，因为给出的是不定值，而应由式( 2 6 ) 中使v 。 趋近于零求出其极限值得到。当v 。很小且接近于零时，e x p ( q v k o t ) 和e x p ( - q v k o t ) 的展开级 唧c 黟出器+ 孚q v 2 陪8 ， 代入式( 2 6 ) 中，经化简后，由于v s 趋近于0 ，且考虑到p 型半导体中n p o p p o ，最后得 到平带的空间电荷电容为 耻警 亿 = 丽c s o c o x ( 2 - 1 0 ) c f b 。 d x o 可见平带电压情况下理想m o s 电容只与氧化层厚度t o x 和掺杂浓度p p o 有关。 ( 2 1 1 ) 2 ) 外加栅压v g 0 时，表面势v 。及表面层内的电势v 都是负值，p 型衬底m o s 电容的能带图 如图2 5 所示，在氧化物一半导体界面处，价带边缘更接近于费米能级，这表明在该处存在空穴的堆 积。半导体表面比体内表现得更具有“p 型”结构的特点。此时表面电荷随表面势的绝对值iv 。i 1 0 第二章m o s 电容的机理分析 的增大而增长。这表明当表面势越负，能带在表面处向上弯曲的越厉害时，表面层的空穴浓度急剧 的增长。由于m o s 系统处于热平衡状态且无通过氧化层的电流，这使得半导体中的费米能级为一常 数。 e 。 氧化层 一e i 。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一e f 。 lle+4- ， 。 、 p 型 + 空穴积累层 图2 5 v g o 时m o s 结构能带图 因这时v 和v s 都大于零，i ；1n p o p p o 远小于1 ，f 函数中含n p 0 ，p p o 及e x p ( 一q v k o t ) 的项都可 以略去，则有 ，i 盟，鱼i ： 【_ k o rp p oj 耗尽状态时的表面空间电荷区的电容可以求得为 c - s c = 管厩 将l d 代入上式，考虑到电离饱和时p p o = a ，则得 g c = ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 对于耗尽状态，也可以用“耗尽层近似”来处理，即假设空间电荷层的空穴都已经全部耗尽， 电荷全部由已电离的受主杂质构成。在这种情况下，若半导体掺杂是均匀的，则空间电荷电容c 。相 当于一个距离为x d 的平板电容器的单位面积电容，即 c s c = 盟( 2 - 1 7 ) 劫 可得耗尽层宽度为 劫2 所以在栅压v g 0 且比较小的时候，理想m o s 电容值应该是随着v g 增大而减小。 ( 2 1 8 ) 4 ) 外加栅压v g 继续增大，p 型衬底m o s 电容的能带图如图2 7 所示。空间电荷区变得更宽， 1 2 第二章m o s 电容的机理分析 表面的能带弯曲的程度更大，使空间电荷区表面处的本征费米能级低于费米能级，从而，导带比价 带更接近于费米能级，这表明半导体表面出现少子电荷电子，即出现反型层。反型状态可分为强反 型和弱反型两种情况，以表面处少数载流子浓度是否超过体内多数载流子浓度为标志来定。下面定 量的给出强反型出现的条件。 表面处少子浓度为 图2 7 v g o 时m o s 结构能带图 鸹。e x p c 等，= 瓦n i 2e 啾誊， p 当表面处少子浓度为n s = p p o 时，上式化为p p 0 2 = n i 2e x p ( q v s k o t ) 或者 p p o = n ie x p ( q v s 2 k o r ) ，另一方面根据玻尔兹曼统计得 p 矿郴p c ( 2 2 0 ) 式中q v = 巨一e r 是指体内本征费米能级e 与费米能级砟之差。比较上两式，则可以得到强 反型的条件为 k 2 v ( 2 - 2 1 ) 图2 8 表示了这时表面层的能带弯曲情况。以p p o = n a 代入式( 2 _ 2 0 ) 可得 = ( k o t q ) l n ( n a n f ) ，所以强反型条件也可以写为k ( 2 k o t q ) l n ( n a n i ) 。可以看出，衬 底杂质浓度越高，v s 越大，越不易达到反型。对应于表面势k = 2 k 时金属板上加的电压就是m o s 的开启电压，或称阈值电压，以v t 表示之。 1 3 东南大学硕士学位论文 厂 山， q v b 一一一一一一一一一q v r b 一一一一一 个 厂 e 。 e i e f e ， 图2 8 强反型时的m o s 结构能带图 当强反型，k 2 k 时，式( 2 6 ) 中有些项可以略去，简化后可以得到 g c = 等e 即c 券， 陆2 2 ， 这个表达式跟积累态的空间电荷电容的表达式( 2 1 3 ) 是一致的，所以强反型态时的m o s 电容 值和积累态时是相同的，如图2 3 所示。 需要指出的是一旦出现强反型，表面耗尽层宽度就达到一个极大值) d m ，不再随着外加栅电压 的增加而增加。这是因为反型层中积累的电子屏蔽了外电场的作用。耗尽层宽度极大值x d m 出现在 k = 2 k 时，则此时x 西，l = 4 岛岛i q n a 。 反型时m o s 电容除了氧化层电容c 。和耗尽层电容c d 外，还有半导体表面电子对电容的贡献， 设此电容值为c p ，于是空间电荷电荷电容g c = 巴+ c l p ，如图2 9 所示。则反型时的m o s 电容可 以表示为1 c = 1 c o x + 1 1 ( c d - i - c p ) 。当c p 出现并增大的时候，可以得到总的m o s 电容也是增大 的，对应于图2 3 中匕 0 时低频曲线从最小值开始上升的部分。当c p 增大到可以使第二项忽略的 时候，c = c 揪= c o 。 。ti 图2 9 反型时空间电荷电容构成 但是，当栅电压是高频信号时，情况有所不同。由于反型层中电子的产生与复合将跟不上高频 1 4 第二章m o s 电容的机理分析 信号的变化，即反型层中电子的数量不能随高频信号而变，反型层中电子对电容没有贡献，这时空 间电荷区的电容仍然由耗尽层电荷变化决定。当栅压继续增大时，只有靠耗尽层延伸向半导体内深 处而产生大量受主负电荷以满足电中性条件。因此，这种情况时耗尽层的宽度很大，可远大于强反 型的最大耗尽层宽度，且其宽度随电压v 。幅度的增大而增大，这种状态称为深耗尽状态。深耗尽状 态是在实际中经常遇到的一种比较重要的状态。例如，在用非平衡电容电压法测量杂质浓度分布剖 面，或用电容一时间法测量衬底中少数载流子寿命时，半导体表面就处于这种状态。由于空间电荷层 只存在电离杂质所形成的空间电荷，故“耗尽层近似”适用于深耗尽状态，式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 仍然适用。深耗尽时空间电荷层来不及产生少数载流子，不产生反型层，为了保持半导体体内电中 性，耗尽层宽度只能继续增大，因此耗尽层宽度不存在极限值，耗尽层电容将随着v 。或者v 。的增 大而减小，总的m o s 电容也将随着减小，如图2 3 中v 。 0 时高频曲线部分。 前面讨论的是理想m o s 电容的c v 特性，但是实际m o s 电容受到其他因素的显著影响，导致 其c v 特性发生改变，下面讨论一些主要因素对m o s 电容c v 特性的影响。 2 3金属与半导体功函数对m o s 电容c v 特性的影响 以铝一二氧化 - 1 i t n 成的m o s 结构为例，并设半导体是p 型硅。由于p 型硅的功函数w s 一般比铝的功函数w m 大，当铝和p 型硅连接时，电子将从铝流向半导体。因此在半导体表面形成 带负电的空间电荷层，在金属表面产生正电荷，从而产生了指向半导体内部的电场，这电场使硅表 面能带向下弯曲，如图2 1 0 所示。 a 1 e i e p & t ， 、 骶_s 上 t q 、l a is i 0 2p - s i 图2 1 0 功函数对表面能带的影响图2 1 1加平带电压后的能带图 同时硅内部的费米能级相对于金属的费米能级要向上提高，直到平衡。由图2 1 1 可以看出半导 体中电子的电势能相对于金属提高的数值为 鸟= w s 一 ( 2 2 3 ) 所以当外加偏压为零时，半导体表面能带并不是平带状态。为了恢复成平带状态，必须在金属 铝与半导体间加一负电压，抵消由于两者功函数不同引起的电场和能带弯曲，这个电压就是平带电 压v 甩。如图2 1 1 所示。 ：一v m s ：w , - w s ( 2 2 4 ) g 1 5 东南大学硕士学位论文 于是，理想m o s 电容的平带点从v g = 0 移到了v r = v m 处，理想m o s 电容的c v 曲线相当于 平行于电压轴平移了一段距离v 阳，如图2 1 2 所示，( 1 ) 为理想m o s 电容高频c v 曲线，( 2 ) 为考虑 了金属与半导体功函数差时的c v 曲线。 图2 1 2 考虑金属与半导体功函数影响的m o s 电容c v 曲线 2 4氧化层固定电荷对m o s 电容c v 特性的影响 前面的讨论包含了假设氧化层中的净电荷密度为零，但是通常有为正值的净固定电荷密度可能 存在于氧化层中，这些正电荷与氧化物一半导体界面处破裂或虚悬的共价键有关。在s i 0 2 的热形成 过程中，氧气穿过氧化物进行扩散并且在界面处反应生成s i 0 2 ，硅原子也可以脱离硅而优先形成 s i 0 2 。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。在实验上对这种电荷的性质曾进行了广泛的研究，发现具有以下一些特点： 1 ) 这种电荷的面密度是固定的。当半导体的表面势在一个很宽的范围内变化时，它不随能带弯 曲而变化，即这种电荷不能进行充放电，故称之为固定电荷，其密度以q f c 表示。 2 ) 它位于氧化层一硅界面的2 0 n m 范围以内。 3 ) q f c 值不明显的受氧化层厚度或硅中杂质类型及浓度的影响。 4 ) q f c 与氧化和退火的条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系。 由于固定表面电荷带正电，故引起半导体表面层中能带向下弯曲。要恢复平带，必须在金属与 半导体间加一负电压，即平带点应沿着电压轴向负方向移动一个距离。此时的m o s 电容c v 曲线 如图2 1 3 所示。氧化层固定电荷越多，需要的平带电压绝对值就越大。 1 6 第二章m o s 电容的机理分析 q f c t ； q f c 2 、q f c 2 、 o c q f c l = o 、藤 v f b 3v f b 2 0 v g 一 v f b i = o 图2 1 3 考虑氧化层固定电荷影响的m o s 电容c v 曲线 如果氧化层厚度远大于固定电荷层分布范围2 0 n m ，可以近似认为这个电荷就分布在界面处，故 考虑氧化层固定电荷时的平带电压为 v r b = q 乙弦。 ( 2 2 5 ) 2 5氧化层可动电荷对m o s 电容c v 特性的影响 二氧化硅中有可动离子，主要是带正电的钠离子，来自于所使用的化学试剂、玻璃器皿、高温 器材以及人体玷污等。它们在一定温度和偏压条件下，可在氧化层中迁移，对器件稳定性影响很大。 图2 1 4 考虑氧化层可动电荷影响的m o s 电容c v 曲线 温度1 0 0 。c 以上时，钠离子就可以在电场作用下以较大迁移率发生漂移运动，从而引起二氧化 硅层中电荷分布的变化。如图2 1 4 所示，i 为原始c v 特性曲线；i i 是加l o v 正压在1 2 7 下退 火3 0 分钟后测得的c v 曲线；i l l 是加l o v 负压在1 2 7 下退火3 0 分钟后测得的c v 曲线。其原因 是，初始时钠离子聚集在铝和二氧化硅间，对c v 特性没有影响，经过加正压退火后，钠离子移到 1 7 东南大学硕士学位论文 靠近半导体表面处，这跟固定电荷的影响是相同的，将使c v 曲线沿着电压轴左移，对c v 特性影 响最大。再经过加负压退火后，钠离子又移到靠近铝和二氧化硅交界处，但在二