1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province溝道電導與閾值電壓溝道電導與閾值電壓實際實際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、溝道電導(Channel conductance)3

2、、實際、實際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 功函數的影響功函數的影響(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）實際）實際MOS閾值電壓閾值電壓 （3）實際）實際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電通道，稱為溝道。由于沿著垂反型層在漏源之間的導電通道，稱為溝道。由于沿著垂直溝道方向上電子濃度不同，電導率不同。平均

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

4、ical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceInIQLZg)(THG0Si0BG0IVVCCQVCQ)(THG0nIVVCLZg溝道電導溝道電導 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體表面出現強反型、是金屬柵下面的半導體表面出現強反型、從而出現導電溝道時所需加的柵源電壓。從而出現導電溝道時

5、所需加的柵源電壓。由于剛出現強反型時，表面溝道中的導電電子很少，反型層的導由于剛出現強反型時，表面溝道中的導電電子很少，反型層的導電能力較弱，因此，漏電流也比較小。電能力較弱，因此，漏電流也比較小。在實際應用中往往規定漏電流達到某一值在實際應用中往往規定漏電流達到某一值(如如50A)時的柵源電壓時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能否導通的臨界柵源電壓，因此，它能否導通的臨界柵源電壓，因此，它是是MOSFET的非常重要參數。的非常重要參數。 Micro Electromechan

6、ical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceVGVTH，才出現負的感應溝道電荷才出現負的感應溝道電荷QI，則有閾值電壓：則有閾值電壓：或：或：強反型時的表面勢強反型時所需要的電壓：強反型時所需要的電壓：S0sS0GCQVVBISSiS ,QQQSi0B0IGCQCQV)()(THG0Si0BG0IVVCCQVCQSi0BTHCQVfSi2 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology

7、 of Anhui Province對于鋁的功函數比對于鋁的功函數比P P型硅的小型硅的小( (前者的費米能級比后者的高前者的費米能級比后者的高) )構構成成MOSMOS系統，當達到熱平衡時，系統的費米能級為常數；功函系統，當達到熱平衡時，系統的費米能級為常數；功函數差的存在使面對二氧化硅一側的硅表面形成空間電荷區。數差的存在使面對二氧化硅一側的硅表面形成空間電荷區。空間電荷區中能帶將向下彎曲；這意味著當空間電荷區中能帶將向下彎曲；這意味著當MOSMOS系統沒有外加系統沒有外加偏壓時，半導體表面就存在著表面勢偏壓時，半導體表面就存在著表面勢 ，且且 00。因此，欲使能帶平直，即除去功函數差所帶

8、來的影響，就必因此，欲使能帶平直，即除去功函數差所帶來的影響，就必須在金屬電極上加一負電壓。須在金屬電極上加一負電壓。SS Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于金屬由于金屬- -半導體功函數差導致空間電荷區能帶向下彎曲半導體功函數差導致空間電荷區能帶向下彎曲鋁的相對于鋁的相對于SiOSiO2 2修正功函數修正功函數硅的相對于硅的相對于SiOSiO2 2修正功函數修正功函數 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電壓：使能帶平直，需在金屬電極上加一負電壓：)P-SiO-Al0,( )(Si2mssmmsSFpFM系統對于qqqqEEsmmsG1VqEEV)(FpFMG1 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province根據上圖，可得硅的修正功函數：根據上圖，可得硅的修正功函數：V)8 . 3(21 . 125. 3

10、ffs修正親和勢實驗值修正親和勢實驗值 ：Eg1.1eV)(smG1qVG1qV圖圖6-11 6-11 Al-SiOAl-SiO2 2-Si-Si結構的能帶圖結構的能帶圖eV25. 3 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于接觸電勢差的出現，使得平帶狀況所對應的外由于接觸電勢差的出現，使得平帶狀況所對應的外加偏壓加偏壓VG=0改變為改變為VG=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系統的作用。實際系統的電容系統的作用。實際系統的電容C作為作為VGVG1的的函數，與理想函數，與理想MOS系統的電容系統的電容C作為作為VG的函數，在的函數，在形式上應該是一樣的。形式上應該是一樣的。 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系統中的各類電荷系統中的各類電荷熱平衡時熱平衡時MOSMOS系統，還受到氧化層電荷和系統，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，并取決于界面的界面性質，并取決于界面的化學成分；化學成分；1、在、在Si-SiO2界面上的陷阱，其能級位于硅禁帶之內。界面上的陷阱，其能級位于硅禁帶之內。2、界面態密度、界面態密度(單位面積陷阱數單位面積陷阱數)和晶面取向有關。和晶面取向有關。3、在、在(100)面界面態密度

13、比面界面態密度比(111)面的約少一個數量級，對于面的約少一個數量級，對于硅硅(100)面，面，Qit很低，約很低，約1010cm-2，即大約即大約105個表面原子才有個表面原子才有一個界面陷阱電荷，對于硅一個界面陷阱電荷，對于硅(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，這些電荷的范

14、圍內，這些電荷是固定的，在表面勢是固定的，在表面勢 大幅度變化時，它們不能充放電。大幅度變化時，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，經過的晶面取向有關，經過仔細處理的仔細處理的Si-SiO2系統，系統，(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。這些陷阱分布在和二氧化硅缺陷有關。這些陷阱分布在二氧比硅層內；和工藝過程有關二氧比硅層內；和工藝過程有關Qot大都可以通過低溫退火大都可以通過低溫退火來消除。來消除。 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可動離子電荷可動離子電荷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，

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

17、al System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province設單位面積上有正電荷設單位面積上有正電荷Q0位于位于x處的一薄層內。這些正電荷會處的一薄層內。這些正電荷會在正金屬表面上感應一部分負電荷在正金屬表面上感應一部分負電荷QM，在半導體表面感應出在半導體表面感應出一部分負電荷一部分負電荷QS，并且并且QM+QS=Q0；由于由于QS的出現的出現，在沒有外在沒有外加偏正加偏正VG的情況下，半導體表面內也將出現空間電荷區，能的情況下，半導體表面內也將出現空間電荷區，能帶發生彎曲，半導體表面帶有正的表面勢帶發生彎

18、曲，半導體表面帶有正的表面勢 。S Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province顯然，有：顯然，有：單位面積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，可以在金屬電極上加一負電壓為克服該表面勢，可以在金屬電極上加一負電壓VG2，使得金屬使得金屬上負的面電荷上負的面電荷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數值相等，這樣數值相等，這樣使氧化層的正電荷發出電力全部終止到金屬電極上而對半導體使氧化層的正電荷發出電力全部終止到金屬電極

19、上而對半導體表面不發生影響。這時半導體表面恢復到平帶情況表面不發生影響。這時半導體表面恢復到平帶情況(不考慮功函不考慮功函數差的影響數差的影響)。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分布，電荷體密度為如果氧化層中正電荷連續分布，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，如果已知氧化層內陷阱電荷的體密度同理，如果已知氧化層內陷阱電荷的體密度ot(x)和可動離子電和可動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，以及它們各自對平帶電，以及它們各自對平帶電壓的影響：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，在大多數情況，在大多數情況，在在Si-SiO2界面上由表面態引起的電荷占優勢。界面上由表面態引起的電荷占優勢。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實際閾值電壓影響因素：實際閾值電壓影響因素：為消除半導體與金屬感函數差的影響；金屬電極相對于半導體所需為消除半導體與金屬感函數差的