フラットバンド電圧（VFB）とは、MOS構造のゲートに加えたとき、半導体側のエネルギーバンドが表面まで曲がらずに平らになるゲート電圧のことです。ゲート電極と半導体の仕事関数の差と、ゲート絶縁膜中や界面にある電荷によって決まり、MOSトランジスタのしきい値電圧を決める出発点になります。
理想的なMOS構造では、ゲート電極と半導体の仕事関数が等しく、絶縁膜中に電荷が無いため、ゲート電圧0Vでバンドは平らです。実際には両者の仕事関数に差（φms）があるため、その差を打ち消す電圧を加えて初めてバンドが平らになります。さらに絶縁膜中の固定電荷Qfや可動イオン、界面準位にとらえられた電荷があると、その電荷がつくる電界の分だけVFBはずれます。式で書くと VFB = φms − Qf／Cox となり、Coxは単位面積あたりの絶縁膜容量です。
しきい値電圧Vthは、このVFBに、反転層をつくるのに必要な表面電位と空乏層電荷の分を足したものです。したがってVFBが動けばVthも同じだけ動きます。ゲート電極の材料を変えて仕事関数を調整するのは、VFBを通じてVthを狙った値に合わせるためで、High-k/メタルゲートの開発ではこの調整が大きな課題になりました。
VFBは、MOSキャパシタの容量－電圧（C-V）特性から求めます。ゲート電圧を掃引して容量を測り、理論上のフラットバンド容量と一致する電圧を読み取ります。理想曲線と比べたときの横方向のずれから絶縁膜中の固定電荷の量が、曲線の傾きのなまりから界面準位の密度が分かるため、ゲート酸化やアニール条件の評価に使われます。
信頼性の評価でもVFBは重要な指標です。高温でゲートに電圧をかけ続けるBTストレス試験では、ナトリウムなどの可動イオンが絶縁膜中を移動してVFBがずれるため、そのずれの量から汚染の程度が分かります。NBTIのように使用中に界面準位や電荷が増える劣化も、VFBとVthのシフトとして現れます。
