微米MOS與MOSFET

1、微米MOS與MOS場效應晶體管14721801俞靜婷言引OMS金屬氧化物半導體利用半導體的表面效應制造出有實用價值的器件引言引言 結(jié)構(gòu) 應用文獻1 Fabrication of Silicon MOSFETs Using Soft Lithography 來源：Advanced Materials 1998, 10, No.17 軟刻蝕技術(shù)：非光刻圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，接觸印刷和聚合物成型；關(guān)鍵：關(guān)鍵：在圖形轉(zhuǎn)移步驟中，最小化彈性模具的變形，對半導體材料表面不造成污染。 Micromolding in capillaries, MIMIC High electron mobility transist

2、ors (HEMTs)文獻1-p溝道增強型MOSFETp-MOSFET橫斷面剖視圖器件頂視圖文獻11.理想的MOS結(jié)構(gòu)及其表面電荷區(qū) 基本結(jié)構(gòu)： 鋁鋁柵柵N溝道溝道MOS場效應晶體管場效應晶體管 增強型與耗盡型：一般增強型。a)增強型：原始結(jié)構(gòu)中無溝道。b)耗盡型：在制作為成品之后，已存在導電溝道。c)N溝增強型：依靠離子注入技術(shù)和清潔氧化物技術(shù)。早期的N溝道的原因是氧化物中正電荷的作用，類似VG作用，產(chǎn)生導電溝道。1-1.MOS管基本結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理：以N溝道增強為例a)柵上施加+VGb)+VG作用感生N型溝道（耗盡展寬反型）c)在VDS的作用下出現(xiàn)漏電流IDS 特性曲線：MOS有開

3、啟電壓VT當VGVT時，才能建立溝道。1-1.MOS管基本結(jié)構(gòu)及工作原理MOS的內(nèi)夾斷電壓稱為開啟電壓，閾值電壓 對理想的MOS結(jié)構(gòu)應滿足以下：a)絕緣體足夠好，電流不從柵流向半導體，沒有電流時，整個MOS處于熱平衡態(tài)；b)在氧化物及氧化物半導體界面均不存在電荷；c)半導體與金屬的功函數(shù)差為零。以上三點假設(shè)為討論MOS整個系統(tǒng)提供方便，對于MOS電容同樣有此假設(shè)。 理想MOS電容：把MOS結(jié)構(gòu)看作電容器，SiO2為介質(zhì)層，當施加-VG時，就感生電荷密度為QS，金屬柵上 1-2.理想MOS結(jié)構(gòu)假設(shè)及表面勢SSOSOOOGQKKQKO： SiO2 介電常數(shù)；oo： 自由空間電容率；o： SiO2

4、中場強；KS： 半導體介電常數(shù)；S： 半導體表面處電勢。半導體一側(cè)平板電容器充電 理想MOS結(jié)構(gòu)中電場分布:VG為外加柵壓；右圖為VG在三層中的情況；VG=VO+SVO 為跨越氧化層電勢；S 為表面勢。 表面勢:在MOS結(jié)構(gòu)中，VG在半導體表面層深入一定的深度，電勢也逐漸減至零。電場的降低使電勢相應的變化， ，這種在表面產(chǎn)生一個電勢差，即表面勢。1-2.理想MOS結(jié)構(gòu)假設(shè)及表面勢dxdV 載流子的積累：a) 當柵上施加-VG ，這種形成負的表面勢能帶向上彎曲；b) EV向上與Ef更接近，說明空穴濃度增加；c) 由載流子濃度式：1-3.理想MOS中電勢對半導體表面影響kTEEiifennkTEE

5、ifienppnpEEnpnEEfiifd) 在半導體表面：對于P-Si，由于-VG使能帶向上彎曲，造成半導體表面的多子空穴濃度大于體內(nèi)平衡濃度，稱此是載流子的積累態(tài)。e) 多子積累時MOS系統(tǒng)能帶圖 載流子的耗盡：a)當柵上施加電壓+VG(正表面勢)，產(chǎn)生附加能-qs。 半導體表面處能帶將會向下彎曲， EC-qs；b)由于能帶向下彎曲，EiEf值減少，可使半導體表面載流子空穴減少至零，表面載流子降至零的情況，稱之為“載流子耗盡”；c)表面的耗盡使負的受主離子呈現(xiàn)半導體表面(-qNa)，在表面處耗盡層寬度為Xd，可采用PN結(jié)耗盡層計算公式；d)表面電荷：-QS=-qNaXde)載流子耗盡能帶圖

6、：1-3.理想MOS中電勢對半導體表面影響 載流子的反型（半導體表面反型）a)當柵上施加較大電壓+VG（正表面勢），彎曲更明顯。b)Ei小于Ef，可使半導體表面處變成n型半導體能帶結(jié)構(gòu)，稱之為反型反型層。c)感生PN結(jié)（感生溝道）當表面反型為N型，體內(nèi)為P型，構(gòu)成感生PN結(jié)；由于感生的N區(qū)是MOS晶體管的溝區(qū)，又稱此溝區(qū)為MOS感生溝道；此感生的PN結(jié)，由于N區(qū)的濃度比半導體內(nèi)多子濃度還要大得多，稱此為強反型；強反型時的感生PN結(jié)，類似半導體N+/P結(jié)，即N型高摻雜的單邊突變結(jié)，因此有關(guān)計算可用單邊突變結(jié)公式。1-3.理想MOS中電勢對半導體表面影響 弱反型 EfEi出現(xiàn)反型后，表面的電子濃度

7、ns仍小于體內(nèi)的空穴濃度，ns VGsi，VGsiVG VG用于增強反型層內(nèi)電子濃度而Xdm不變當MOS結(jié)構(gòu)理用于MOS晶體管時，VGsi相當于開啟電壓VT（所指N溝道增強型）2. MOS電容及C-V曲線 外加電壓的作用VG，VO為降落在絕緣層上電壓S為半導體上的電壓降（表面勢） VG與半導體表面參量QS，S關(guān)系MOS為理想結(jié)構(gòu)，絕緣層內(nèi)電場均勻分布，以0表示系統(tǒng)單位面積的微分電容微分電容C與外加偏壓VG的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容電壓特性。2-1.MOS電容結(jié)構(gòu)及等效電路SOGVV0oOxVGMdVdQC 若令 則CO=絕緣層單位面積上的電容CS=半導體表面空間電荷區(qū)單位面積電容C/CO稱為系

8、統(tǒng)的歸一化電容。2-1.MOS電容結(jié)構(gòu)及等效電路MsMOMGdQddQdVdQdVC1OMdVdQCOSSSMSddQddQCSCCC111OSOCCCC11OOOMOxkdVdQC002-2.MOS電容的分階段解釋 P型半導體MOS的C-V特性AB段MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容CO。當負偏壓的數(shù)值逐漸減少時，空間電荷區(qū)積累的空穴數(shù)隨之減少，并且QS隨S的變化也逐漸減慢，CS變小?？傠娙軨也就變小。 由摻雜濃度和氧化層厚度確定OsDOFBxkLkCC011CD段氧化層電容 ，代入 ，又 ，解出 隨隨VG的增加而減小的增加而減小dSSSSxkddQC00011xkxkCCSdS2-2.

9、MOS電容的分階段解釋OSOCQVSGVV0SSGCQV0daBSxqNQQ022sdaSkxqN200000021SSGdSakkVXCCCqkN 2121202000202121GSaGSaOVxkqNkVkqNCCC2-2.MOS電容的分階段解釋SSsddQCSBSIddQddQ當外加電壓增大到使表面耗盡層得到最大值,表面出現(xiàn)反型層第二項趨于零，這時C/CO1出現(xiàn)反型后，產(chǎn)生少子堆積，大量電子聚集半導體表面處，絕緣層兩邊堆積著電荷DE段當信號頻率較高高時，反型層中電子的產(chǎn)生將跟不上高頻信號的變化，即反型層中的電子的數(shù)量不能隨高頻信號而變，因此，高頻信號時，反型層中的電子對電容沒有貢獻DG

10、段fsi23.MOS晶體管的溝道電導及閾值電壓3-1.反型層與MOSFET的溝道 正VG的半導體強反型時對應的溝道圖像 溝道的幾何圖形P溝道MOS晶體管3-2.溝道電導溝道電導密度電子數(shù)溝道寬度 當出現(xiàn)強反型時，即從上式可見，只有當VGVTH時，才會出現(xiàn)負的感應溝道電荷QZ，VTH稱為閾值電壓。3-2.溝道電導00000,()()ssisIBsBGsiBIGsiGTHQQQQQVCCQQC VC VVC 從VG可以得到VTH， 對于強反型的溝道，臨界條件： 閾值電壓定義：當形成強反型時，其能帶結(jié)構(gòu)滿足 時的柵電壓，VG稱為閾值電壓VTH即 其物理意義：a)VTH用去支撐空間電荷，生出體電荷QB

11、b)滿足 的條件c)表面電子濃度nS=PP0 當VGVTH時，是形成強反型時所需要的最小柵電壓。3-3.MOS的閾值電壓0sGsQVC 2sf2sf02BTHfQVC 2sf 強反型的情況，即在大柵壓情況下： 表明VG對gi貢獻是線性增大作用。3-4.溝道電導與柵電壓關(guān)系0InGTHZCVVLg4.平帶電壓與閾值電壓 對理想MOS的平帶點是VG=0時； 平帶點條件的能帶結(jié)構(gòu)： 平帶的理想條件，理想的MOS假設(shè)：a)Si與SiO2界面均無電荷；b)忽略了MOS金半功函數(shù)差 實際MOS的平帶點：4-1.MOS的C-V曲線平帶點 金-半功函數(shù)差的存在對MOS系統(tǒng)好比存在一個寄生電場 寄生電場的作用W

12、SiWM對半導體表面有作用，使表面能帶彎曲 寄電場的大小V=-(WSi-WM)/q同-qS作用一樣，它能使半導體表面能帶向下彎曲。 要抵消-qV影響必須在金屬上外加電壓，使半導體恢復平帶，注意VFB (金半功函數(shù)之差)4-2.金-半功函數(shù)對MOS C-V的影響msMsiFBqWWV4-3.SiO2中正電荷對C-V影響 SiO2中正電荷種類1.可移動離子電荷，來源于工藝沾污2.氧氧化物陷阱電荷，來源于輻射的影響3.氧化物固定正電荷，來源于SiO2生長中過剩硅4.界面陷阱正電荷，來源于斷價鍵在四種正電荷中，影響最大，含量最多，來源最多的是可移動離子電荷，通常是Na+和K+等離子，可在高溫下自由移動

13、，而第3、4種電荷與半導體晶軸方向有關(guān)，通常在(100)方向密度最小熱氧化硅形成的Si-SiO2系統(tǒng)中的各類電荷 在MOS系統(tǒng)中，VG0，SiO2中正電荷作類似寄生電荷作用SiO2中正電荷對平帶電壓影響，將SiO2中正電荷對平帶影響用平帶電壓VFB表示若QO移向靠近半導體一側(cè)，則x=xO，VFB(I)=-QO/CO，若Q屬分散型電荷，則： 當恢復平帶時，金屬柵上必須加外電壓以抵消SiO2中正電荷對半導體表面的作用4-3.SiO2中正電荷對C-V影響xkQVOIFB0)(OOOOOOIFBxcxQxxQkxV)(0)( dxxxxcVdVOxOOFBIFB0)(1 理想下 非理想下，必須將ms，

14、VFB(I)考慮其中 將非理想條件的閾值電壓看作：VTH+VTH，則1.第一項是為消除半導體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導體所需要加的外加電壓；2.第二項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；3.第三項是支撐出現(xiàn)強反型時的體電荷所需要的外加電壓；4.第四項是開始出現(xiàn)強反型層時，半導體表面所需的表面勢。4-4.在非理想條件下MOS的閾值電壓fBTHCQV20）2）（000)非(fBmsTHCQCQV Dielectrophoresis and Chemically Mediated Directed Self-Assembly of Micrometer-Scale Three-Terminal Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transi