第十八章非理想MOS课件.ppt

1、理想MOS结构的定义（1）金属栅足够厚,是等势体（2）氧化层是完美的绝缘体无电流流过氧化层（3）在氧化层中或氧化层-半导体界面没有电荷中心（4）半导体均匀掺杂（5）半导体足够厚，无论VG 多大，总有零电场区域（6）半导体与器件背面金属之间处于欧姆接触（7）MOS电容是一维结构，所有变量仅是x的函数（8）M=S=+(EC-EF)FB18.1 金属-半导体功函数差n实际器件中实际器件中 MS，系统处于平衡时，金属和半导体的，系统处于平衡时，金属和半导体的费米能级一致，则两种材料的真空能级必然不同，在系费米能级一致，则两种材料的真空能级必然不同，在系统的不同部分之间出现电场统的不同部分之间出现电场E

2、vac，半导体中出现能带弯，半导体中出现能带弯曲，且曲，且KSES=Evac（电位移矢量连续）。（电位移矢量连续）。n在金属和半导体之间插入绝缘层，绝缘层中电场与真空在金属和半导体之间插入绝缘层，绝缘层中电场与真空时比，有所下降。绝缘层会降低有效的表面势垒。系统时比，有所下降。绝缘层会降低有效的表面势垒。系统达到平衡态时的能带图如图所示。达到平衡态时的能带图如图所示。nVG=0V时，半导体中不再处于平带状态，而是存在一内时，半导体中不再处于平带状态，而是存在一内建势建势Vbi。M=S实际实际MOS结构的平衡能带结构的平衡能带图图 MS 实际实际MOS结构的平衡能带图结构的平衡能带图18.1 金

3、属金属-半导体功函数差半导体功函数差0)(sFBBCxMqEEq通常选金属为零电势参考点）通常选金属为零电势参考点）MSXSFBFCiiMsMMsbiqEEqqV）0()()(MS0 对器件特性的影响n对理想MOS，平带电压为0，对应的高频C-V特性曲线如图18.2中的虚线。n对实际器件，需要加栅电压VG=MS,以达到平带状态。n由于两种情况在平带条件下的电容相同，实际器件的平带点沿电压轴横向移动了MS n对理想器件C-V特性曲线上的任意一点，在实际器件上需在栅上加电压MS，才能得到相同的电容n理想C-V与实际C-V曲线之间的电压飘移了VG VG=(VG-VG1)sameC=MS图18.2 对

4、MOS电容高频特性的影响图18.3 功函数差与掺杂浓度的关系对于给定的系统VG=MS的值可通过公式计算得到。18.2 氧化层电荷理想MOS假设在氧化层中或氧化层-半导体界面没有电荷中心。而实际器件中，氧化层电荷则会带来很大的电压漂移和不稳定性。通过广泛研究，已确定了一些处于氧化层中或氧化层-半导体界面的电荷中心。图18.4 热生长的SiO2-Si结构中电荷中心的特点和位置理想SiO2中无电荷中心：=0泊松方程：VG=s+oxsoOSSGxKKV1实际情况，SiO2中有电荷中心绝缘体中任一点电场绝缘体中任一点电场绝缘体两断的电势差绝缘体两断的电势差oxxosoosSOXSGdxxxKExKKV0

5、00)(1对任意电荷分布均有效O-S界面没有电荷层双重积分分步积分二、可动离子二、可动离子n由于氧化层中有可动电荷，MOS器件表现出严重的不稳定性。n偏置-温度实验：MOS器件在一定偏置下加温，保持一段时间，然后降到室温，测C-V特性曲线，发现C-V特性曲线发生负向漂移，这种不稳定性主要归功于氧化层中的Na+、K+、Li+等可动的碱金属离子。加负偏置，上述离子向金属端移动，离子移动后，根据下式，VG的值发生变化。结论减少可动碱金属离子引起的不稳定性的方法磷稳定化：氧化后的硅片短时间内放置在磷扩散炉中，在SiO2表面外部形成磷硅玻璃，在扩散温度下，钠离子总是向富磷区移动，且一旦进入磷硅玻璃区就会

6、被陷住，且陷在SiO2-金属界面附近，使C-V曲线漂移最小。氯中性化：在生长SiO2时将少量氯化合物引入生长炉，在SiO2-Si界面生成氯硅氧烷，当钠离子迁移到SiO2-Si界面时会被陷住中和，就不会对MOS器件产生影响。三三 固定电荷固定电荷n在没有可动离子的MOS结构中，考虑MS0的修正后，观察到的实际器件的C-V特性仍相对理想器件向负偏置方向移动了几伏。n这一漂移VG是由靠近氧化层-Si界面氧化层中的电荷引起的。为简单起见，认为该电荷正好分布在界面处。oFooFoxoFxooxooGoFooxCQKQxdxxxQKdxxxKVxQx)(1)(1()()(00000氧化层电荷）由于观察到C

7、-V曲线向负方向漂移，所以QF为正nQF的特点n（1）与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关n（2）与Si表面的取向有关，111面QF最大，100面QF最小，这两种表面的固定电荷比大约为3：1n（3）与氧化条件（气氛、炉温）有关，与最终条件有关n（4）氧化后的硅片在氩气氛或氮气氛中退火，可使QF降 低至最小。nQF的来源n来源于Si-SiO2界面过量的离化硅。氧通过氧化层扩散并在Si-SiO2界面反应，生成更多SiO2,由于氧化过程突然终止，导致过量离化硅从晶格位置断裂，等待在Si-SiO2界面反应。n退火减少QF。三 固定电荷氧化温度和退火对MOS结构中固定电荷的影响不同干氧温度四 界面

8、陷阱n界面陷阱是指界面缺陷在禁带中引入了允许电子占据的能级，使界面在不同偏置状态下具有不同的与界面陷阱相关的电荷，从而使MOS器件的C-V特性与理想C-V特性偏离。n如n型衬底MOS电容n 反型：EF与EV接近，界面能级没有被占据，类施主能级，QIT大，带正电（能级为空时呈正电，能级被电子占据呈中性）n耗尽：界面能级被部分占据，QIT减少n积累，界面能级几乎全被占据QIT最小nQIT与QF一样正好位于O-S界面，所以它引起的电压飘移公式oITGCQV（界面陷阱）图18.12 n型器件，在不同偏置下，界面能级填充情况(a)反型 (b)耗尽 (c)积累施主型陷阱，被电子占据为中性，空态带正电受主型

9、陷阱，被电子占据带负电，空态为电中性 反型QIT最大，积累QIT最小，耗尽QIT界于二者之间反型QIT最大，积累QIT最小，耗尽QIT界于二者之间，所以从积累到反型C-V曲线的偏离越来越大。n界面陷阱的来源nSi界面的悬挂键n减少界面陷阱浓度的方法n金属后退火或在氢气氛中退火，以减少悬挂键的浓度图18.13界面陷阱的物理模型(a)当硅晶格突然中止时，形成一个表面，表面上有“悬挂键”(b)经氧化后的悬挂键成为界面陷阱在SiO2 表面吸附水分，金属后退火过程中，金属与H2O中的O反应释放出H2，H2通过SiO2迁移到Si-SiO2界面，饱和Si表面悬挂键，减少陷阱密度5 诱导的电荷nX射线、中子、

10、高能离子辐射在MOS上导致不同程度的辐射损伤，辐射后的MOSFET氧化层中会出现固定电荷和界面缺陷态密度增加，从而使C-V特性曲线漂移或变形。结论nQF，QM、MS导致C-V特性曲线相对理想曲线沿电压轴产生平行的负漂移nQIT引起的VG会因所加偏置的不同或正或负，因而使C-V特性曲线产生畸变n目前生产商开发了一些减少MOS器件非理想性的工艺技术，可制备出近乎理想的器件oIToFMoFMSsameGGGCQCQCQVVVs）（118.3MOSFET的阈值设计n NMOS（p型衬底）PMOS（n型衬底）n VT为正值 VT为负值n VGVT 反型导通 VGVT时，器件才导通，以这种方式工作的MOS

11、器件叫增强型MOSFET.（电压漂移会使VT为负值）(2)当VG=0时，衬底表面就已经形成导电沟道，在源漏电压作用下就形成了电流，以这种方式工作的MOS器件叫耗尽型MOSFET.（3）对于耗尽型MOSFET，要关断器件使其处于截止状态，必须在栅上加反向电压，把衬底表面的导电载流子赶走。图18.18 MOSFET的工作模式n耗尽型MOSFET的初始导电沟道的形成主要来自两个方面：n（1）MS和氧化层中的电荷（不希望存在的）n（2）通过工艺方法（如离子注入）在衬底的表面形成一层反型材料（为形成耗尽MOS或调整阈值而专门进行的加工工艺）栅氧化层场氧化层场氧化层中间区域伪沟道为避免NMOS由于阈值电压

12、漂移，使VT0,在未加栅电压的情况下，沟道导通，在两器件之间的中间区域形成伪沟道，一般使栅控的部分上的氧化层的厚度比栅氧化层的厚度厚的多。表面零电势18.3.3阈值调整技术1FosAOosFTKqNKxKV42 通过改变氧化层厚度和改变衬底掺杂浓度来调整阈值电压oIToFMoFMSGFBCQCQCQVVS）（00采用100Si衬底代替111衬底减少QF。采用多晶硅栅代替Al栅2100Si衬底，P型多晶硅栅（EF=EV）MS=+0.26V,VFB=-0.05V,VT=+0.95V,使NMOS得到正的阈值电压)()(1)()(FBSiFCSipolyFCMSFBSiFCSiSiSiPolyFCSi

13、SipolyEEEEqEEEE3 更灵活有效的控制VT的工艺离子注入技术 在半导体近表面处注入精确控制的相对较少的硼或磷离子，可认为该工艺在O-S界面引入了附加的固定电荷，假设单位面积注入的离子数为NI，则QI=qNI,（+施主，-受主）oIGCQV注入硼离子，使阈值电压正向漂移。注入磷使阈值电压负向漂移18.3.4背偏置效应电学调整阈值电压n将MOSFET的背接触相对于源极加反向偏置来调整阈值电压-体效应或衬偏效应。n衬底反偏，衬底耗尽区变厚（pn结反偏），使耗尽层中固定电荷增加，栅电荷不变时，沟道导电电荷减少，ID减小，要获得同样的ID，增加栅电压，增加沟道反型电荷，等于增加阈值电压。图18.20 背向偏置的MOSFETVBS=0VBS0积累积累因重掺杂，能带弯曲很小作业18.9积累耗尽反型由图知p型衬底，界面陷阱受主型，所以被电子占据带负电，空态呈电中性