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金氧半电容

2018-07-26 10:36:42     所属分类:电子工程

金氧半电容(金属氧化物半导体电容 或 Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor 或 MOSC)是一种常见的两端控制的半导体元件,在1960年代已在实验室被实做出来。金氧半电容是由金属作为闸极(虽然在工艺界常用多晶硅,近年来才改为金属),在金属和半导体间以氧化物作为介电层以绝缘,氧化物通常是二氧化硅(SiO2),因为二氧化硅可以直接由常见的硅基板通过加热生长,所得的界面陷阱(interface states)特性也会比较好。半导体的部分通常是硅,也就是常说的硅晶圆,目前一些三五族材料也被用于金氧半元件的基板中以改进载子的传输特性。

目录

  • 1 操作
  • 2 应用
    • 2.1 材料特性分析
    • 2.2 元件应用
  • 3 外部链接
  • 4 参考文献

操作

P型硅基板之金氧半电容
空乏区(上)和反转区(下)之能带图及电荷分布图

金氧半电容的基本元件示意图如右。在不同的闸极偏压(VG)会有不同的能带结构,在金氧半电容中分成四个部分讨论,分别是累积区、平能带区、空乏区以及反转区。以下以P型硅基板(电子和电洞分别为少数和多数载子)的金氧半电容为例1

  1. 累积区(accumulation region):VG < VFB < 0 (通常),其中VFB为平能带电压。由于闸极施予负电压,在半导体端会累积正电荷,即电洞累积层,此时电容随电压变得更负而逐渐接近氧化层电容(Cox)。在变频的部分,由于电洞在P型半导体内是多数载子,故能跟得上高频(> 1 MHz)信号的变化,所以在累积区的电容无显著的频率色散。
  2. 平能带区(flat band region):VG = VFB,此时金属端(或多晶硅)和半导体端的能带为水平,即没有压降或电场落在半导体内,两端费米能阶(Fermi Level)的差即VFB的绝对值。注意,此时氧化层压降或电场均不为0,除非VFB = 0。在金氧半电容的特性分析中,偏压常常是相对于平能带电压。
  3. 空乏区(depletion region):VG > VFB (但不大于太多),此时接近氧化层/半导体界面的部分半导体电洞会被半导体内的电场(来自于能带弯曲)所扫离至电中性区(无电场),而电子逐渐在氧化层/半导体界面处(但依然在半导体内)累积,不过电洞浓度仍大于电子浓度。由于在氧化层/半导体界面的费米能阶在空乏区偏压范围内扫动恰好对应到界面陷阱(interface states)的能阶区域,因此可由不同频率下的空乏区电容计算出界面陷阱电容(Cit),此即高低频电容法(High-Low Frequency Capacitance Method)。
  4. 反转区(inversion region):VG >> VFB,此时电子浓度已大于电洞浓度,且半导体偏压(电场)趋近固定(因为电子浓度增大,半导体导电度上升,压降降于氧化层内),半导体传输特性由P型变为N型,所以称为"反转"区。对于金氧半场效晶体管而言,反转区的开启对应到晶体管的门槛电压(Vth,threshold voltage),但仍需注意本体效应(body effect)的发生。此外,因为电子为少数载子,故在高频电容呈现平稳的低值,而在低频电容则会逐渐回复到氧化层电容。

值得注意的是,上述理论乃是考虑闸极方向漏电流可忽略的情况,当考虑漏电流的发生(即在元件使用小于3奈米的超薄氧化层),电子或电洞就不易大量累积,因此累积区和反转区电容就与上述的不同了。累积区的电容会因为偏压的增负而由峰值逐渐减小,此效应是由于漏电流加上基板的串联电阻而成。反转区电容则会因为漏电流而进入深空乏(deep depletion),少数载子仅能透过热激发(thermal generation)产生,因此当偏压逐渐变正,空乏区仍然继续延伸,因此得名。另外,在空乏区的漏电流特性,金氧半电容和金氧半场效晶体管有很大的不同,由于金氧半电容的空乏区电子的累积会受控于热激发,所以漏电流会逐间趋向饱和(以log scale),然而,在金氧半场效晶体管中,因为有汲极和源极可补充少数载子(汲极和源极跟基板的电极性不同),所以漏电流会远大于金氧半电容数个数量级,而且高低频电容皆会回复到氧化层电容(不考虑poly-depletion)。

应用

材料特性分析

金氧半电容有诸多的应用。金氧半电容结构可用于分析氧化层内的缺陷特性、氧化层和半导体间的界面品质、载子寿命(lifetime)2以及估计氧化层之电性厚度(electrical thickness)。通过量测金氧半电容的电容-电压曲线(Capacitance-Voltage Curve),在不同的偏压区域可得到不同的元件特性资讯,如在累积区(accumulation region)可得知氧化层之厚度3。另外,借由量测闸极漏电流的特性,也可评估非平面之MOS边缘蚀刻所造成的缺陷情况4

元件应用

在元件的应用方面,包括金氧半场效晶体管(MOSFET)、金氧半温度感测器(MOS Temperature Sensor)、金氧半光侦测器(MOS Photodiode or Photodetector)和双金氧半电容式穿隧晶体管(MOS Gated-MIS Tunnel Transistor)。

金氧半场效晶体管是由金氧半电容加上汲极(drain)和源极(source)形成的四端控制元件,汲极和源极可以离子布植(ion implantation)或热扩散来形成。通过施加闸极电压,可控制半导体的载子通道(channel)开关5。在现今工艺中,由于元件尺寸的微缩,闸极方向的漏电流日益重要,因此目前氧化物引进了高介电常数介电质(如二氧化铪)以增加氧化层的物理厚度(physical thickness)但不减少电容值(因为电容值会决定金氧半场效晶体管汲极电流大小)。详细介绍请参考金氧半场效晶体管条目。

金氧半温度感测器是利用超薄氧化层(小于3奈米)金氧半电容(结构为Al/SiO2/p-Si)的闸极电流特性作为温度侦测。在P型基板超薄氧化层金氧半电容或MOS(p)中,空乏区的闸极电流主要由电洞电流主导6,而电洞所见之等效萧基位障(Schottky Barrier Height)会被元件的侧向扩散电流(lateral diffusion current)所线性地调控,而侧向扩散电流又与温度相关,因此可依此特性来感测温度7

金氧半光侦测器亦是利用元件的侧向扩散电流来侦测入射光,因为入射光会在半导体区域激发出电子电洞对,造成扩散电流上升,最后调控电洞的萧基位障大小,改变了闸极电流。光侦测器的闸极电流可由下式所描述8

其中为光在空乏区所激发的光电流,是侧向扩散电流,是具维度之电洞Richardson constant,是温度,是电子电量,是普朗克常数,是电洞穿隧机率,是电洞的等效萧基位障且会被侧向扩散电流线性调控。第三项系电洞之萧基二极管电流公式乘上电洞穿隧过氧化层的机率,由于第三项是指数相关,所以该项会主导电流的特性。

双金氧半电容式穿隧晶体管(MOS Gated-MIS Tunnel Transistor)是一种新型的穿隧式晶体管9,其利用侧边金氧半元件偏压在平能带电压附近来控制侧边元件的电子浓度,进而调控侧向扩散电流使另一金氧半元件的穿隧电流增加,此种元件由于具双指数的调变性质,因此次临界斜率可突破传统MOSFET的60 mV/dec的限制,可达15.3 mV/dec之谱。

外部链接

MOS Capacitors

参考文献

  1. ^ S. M. Sze (1981), Physics of Semiconductor Devices.
  2. ^ E. H. Nicollian and J. R. Brews (1982), MOS (metal oxide semiconductor) physics and technology.
  3. ^ K. J. Yang and C. Hu, "MOS Capacitance Measurements for High-Leakage Thin Dielectrics," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 46, no. 7, pp. 1500-1501, July 1999.
  4. ^ H. H. Lin and J. G. Hwu, "Influence of Etching-Induced Surface Damage on Device Performance With Consideration of Minority Carriers Within Diffusion Length From Depletion Edge," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 62, no. 2, pp.634-640, Feb. 2015
  5. ^ Y. Tsividis (1987), Operation and modeling of the MOS transistor.
  6. ^ Y. K. Lin, L. Lin and J. G. Hwu, "Minority Carriers Induced Schottky Barrier Height Modulation in Current Behavior of Metal-Oxide-Semiconductor Tunneling Diode," ECS J. Solid State Sci. Technol., vol. 3, no. 6, pp. Q132-Q135, May 2014.
  7. ^ Y. K. Lin and J. G. Hwu, "Role of Lateral Diffusion Current in Perimeter-Dependent Current of MOS(p) Tunneling Temperature Sensors," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 61, no. 10, pp. 3562-3565, Oct. 2014
  8. ^ Y. K. Lin and J. G. Hwu, "Photosensing by Edge Schottky Barrier Height Modulation Induced by Lateral Diffusion Current in MOS(p) Photodiode," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 61, no. 9, pp. 3217-3222, Sept. 2014.
  9. ^ C. S. Liao and J. G. Hwu, "Subthreshold Swing Reduction by Double Exponential Control Mechanism in an MOS Gated-MIS Tunnel Transistor," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 62, no. 6, pp. 2061-2065, Jun. 2015

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