Lecture25-第六章--阈值电压

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际实际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、、实际、实际MOS的的C-V特性特性 （1）影响）影响C-V特性的因素特性的因素 功函数的影响功函数的影响(Work function) 界面陷阱和氧化物电荷的影响界面陷阱和氧化物电荷的影响 （2）实际）实际MOS阈值电压阈值电压 （3）实际）实际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

3、电导率直沟道方向上电子浓度不同，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 Electromechan

4、ical System 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表面出现强反型、是金属栅下面的半导体表面出现强反型、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

5、所需加的栅源电压。由于刚出现强反型时，表面沟道中的导电电子很少，反型层的导由于刚出现强反型时，表面沟道中的导电电子很少，反型层的导电能力较弱，因此，漏电流也比较小。电能力较弱，因此，漏电流也比较小。在实际应用中往往规定漏电流达到某一值在实际应用中往往规定漏电流达到某一值(如如50A)时的栅源电压时的栅源电压为阈值电压。从使用角度讲，希望阈值电压为阈值电压。从使用角度讲，希望阈值电压VTH小一些好小一些好。阈值电压是决定阈值电压是决定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 Electromechan

6、ical System 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，则有阈值电压：则有阈值电压：或：或：强反型时的表面势强反型时所需要的电压：强反型时所需要的电压：S0sS0GCQVVBISSiS ,QQQSi0B0IGCQCQV)()(THG0Si0BG0IVVCCQVCQSi0BTHCQVfSi2 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology

7、 of 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，当达到热平衡时，系统的费米能级为常数；功函系统，当达到热平衡时，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表面形成空间电荷区。数差的存在使面对二氧化硅一侧的硅表面形成空间电荷区。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，半导体表面就存在着表面势偏压时，半导体表面就存在着表面势 ，且且 00。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带

8、来的影响，就必因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。须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SiOSiO2 2修正功函数修正功函数硅的相对于硅的相对于SiOSiO2 2修正功函数修正功函数 Micro Electromechanical System Res

9、earch 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. 3

10、ffs修正亲和势实验值修正亲和势实验值 ：Eg1.1eV)(smG1qVG1qV图图6-11 6-11 Al-SiOAl-SiO2 2-Si-Si结构的能带图结构的能带图eV25. 3 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于接触电势差的出现，使得平带状况所对应的外由于接触电势差的出现，使得平带状况所对应的外加偏压加偏压VG=0改变为改变为VG=VG1。外加偏压。外加偏压VG的一部分的一部分VG1用于使能带平直，另一部分用于使能带平直，另一部分

11、VGVG1起到理想起到理想MOS系统的作用。实际系统的电容系统的作用。实际系统的电容C作为作为VGVG1的的函数，与理想函数，与理想MOS系统的电容系统的电容C作为作为VG的函数，在的函数，在形式上应该是一样的。形式上应该是一样的。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province图图6-12 6-12 热氧化形成的热氧化形成的Si-SiOSi-SiO2 2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，还受到氧化层电荷和系统，还受到氧化

12、层电荷和Si-SiOSi-SiO2 2界面陷阱的影响界面陷阱的影响 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province界面陷阱电荷界面陷阱电荷Qit，归功于归功于Si-SiO2界面性质，并取决于界面的界面性质，并取决于界面的化学成分；化学成分；1、在、在Si-SiO2界面上的陷阱，其能级位于硅禁带之内。界面上的陷阱，其能级位于硅禁带之内。2、界面态密度、界面态密度(单位面积陷阱数单位面积陷阱数)和晶面取向有关。和晶面取向有关。3、在、在(100)面界面态密度

13、比面界面态密度比(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个表面原子才有个表面原子才有一个界面陷阱电荷，对于硅一个界面陷阱电荷，对于硅(111)面，面， Qit约为约为1011cm-2 。 界面陷阱电荷界面陷阱电荷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

14、围内，这些电荷是固定的，在表面势是固定的，在表面势 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，经过仔细处理的仔细处理的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。 氧化物固定电荷氧化物固定电荷QfS Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology

15、 of Anhui Province氧比物陷阱电荷氧比物陷阱电荷Qot和二氧化硅缺陷有关。这些陷阱分布在和二氧化硅缺陷有关。这些陷阱分布在二氧比硅层内；和工艺过程有关二氧比硅层内；和工艺过程有关Qot大都可以通过低温退火大都可以通过低温退火来消除。来消除。 氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷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) 在高温和高在高温和高压下工作时，

16、它们能在氧化层内移动；半导体器件在高偏置压下工作时，它们能在氧化层内移动；半导体器件在高偏置电压和高温条件下工作时的可靠性问题可能和微量的碱金属电压和高温条件下工作时的可靠性问题可能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，可动离子随着离子沾污有关。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移动，引起偏置条件的不同可以在氧化层内来回移动，引起C-V曲线沿曲线沿电压轴移动。因此，在器件制造过程中要特别注意可动离子电压轴移动。因此，在器件制造过程中要特别注意可动离子沾污问题。沾污问题。 可动离子电荷可动离子电荷Qm Micro Electromechanic

17、al 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表面上感应一部分负电荷在正金属表面上感应一部分负电荷QM，在半导体表面感应出在半导体表面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的出现的出现，在没有外在没有外加偏正加偏正VG的情况下，半导体表面内也将出现空间电荷区，能的情况下，半导体表面内也将出现空间电荷区，能带发生弯曲，半导体表面带有正的表面势带发生弯

18、曲，半导体表面带有正的表面势 。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克服该表面势，可以在金属电极上加一负电压为克服该表面势，可以在金属电极上加一负电压VG2，使得金属使得金属上负的面电荷上负的面电荷QM增加到与绝缘层中的正电荷增加到与绝缘层中的正电荷Q0数值相等，这样数值相等，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导体使氧化层的正电荷发出电力全部终止到金属电极

19、上而对半导体表面不发生影响。这时半导体表面恢复到平带情况表面不发生影响。这时半导体表面恢复到平带情况(不考虑功函不考虑功函数差的影响数差的影响)。即：即：xC0CQV0G200000G2xxCQxQV Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceVG2 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro

20、Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为(x)，则有：则有：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)(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，如果已知氧化层内陷阱电荷的体密度同理，如果已知氧化层内陷阱电荷的体密度ot(x)和可动离子电和可动离子电荷体密度荷体密度m(x) ，则可以得到，则可以得到Qot和和Qm，以及它们各自对平带电，以及它们各自对平带电压的影响：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，在大多数情况，在大多数情况，在在Si-SiO2界面上由表面态引起的电荷占优势。界面上由表面态引起的电荷占优势。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实际阈值电压影响因素：实际阈值电压影响因素：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感函数差的