半導(dǎo)體表面和MIS主要的結(jié)構(gòu)

1、半導(dǎo)體表面和MIS主要的結(jié)構(gòu)本章重點(diǎn)：表面態(tài)概念表面電場(chǎng)效應(yīng)MIS結(jié)構(gòu)電容-電壓特性硅-二氧化硅系統(tǒng)性質(zhì)表面態(tài)理想表面：表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。在半導(dǎo)體表面，晶格不完整性使勢(shì)場(chǎng)的周期性被破壞，在禁帶中形成局部狀態(tài)的能級(jí)分布（產(chǎn)生附加能級(jí)），這些狀態(tài)稱為表面態(tài)或達(dá)姆能級(jí)。 清潔表面的表面態(tài)所引起的表面能級(jí)，彼此靠得很近，形成準(zhǔn)連續(xù)的能帶，分布在禁帶內(nèi)。從化學(xué)鍵的角度，以硅晶體為例，因晶格在表面處突然終止，在表面最外層的每個(gè)硅原子將有一個(gè)未配對(duì)的電子，即有一個(gè)未飽和的鍵，這個(gè)鍵稱為懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài)。 實(shí)際表面由于薄

2、氧化層的存在，使硅表面的懸掛鍵大部分被二氧化硅層的氧原子所飽和，表面態(tài)密度大大降低。此外表面處還存在由于晶體缺陷或吸附原子等原因引起的表面態(tài)；這種表面態(tài)的數(shù)值與表面經(jīng)過的處理方法有關(guān)。由表面態(tài)（表面能級(jí)）的性質(zhì)和費(fèi)米能級(jí)的位置，它們可能成為施主或受主能級(jí)，或者成為電子空穴對(duì)的復(fù)合中心。 半導(dǎo)體表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)，向?qū)峁╇娮雍笞兂烧姾?，表面帶正電；若表面態(tài)為受主態(tài)，表面帶負(fù)電。 表面附近可動(dòng)電荷會(huì)重新分布，形成空間電荷區(qū)和表面勢(shì)，而使表面層中的能帶發(fā)生變化。表面電場(chǎng)效應(yīng)空間電荷層及表面勢(shì)表面空間電荷區(qū)的形成：外加電場(chǎng)作用于半導(dǎo)體表面表面電場(chǎng)效應(yīng)空間電荷層及表面勢(shì)電場(chǎng)電勢(shì)電子勢(shì)能表面能帶表面電

3、場(chǎng)效應(yīng)空間電荷層及表面勢(shì)表面勢(shì)：空間電荷層兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)，以Vs表示之，規(guī)定表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，Vs取正值；反之Vs取負(fù)值。三種情況：多子堆積、多子耗盡和少子反型。表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)和電容規(guī)定x軸垂直于表面指向半導(dǎo)體內(nèi)部，表面處為x軸原點(diǎn)。采用一維近似處理方法?？臻g電荷層中電勢(shì)滿足泊松方程其中設(shè)半導(dǎo)體表面層仍可以使用經(jīng)典分布，則在電勢(shì)為V的x點(diǎn)（半導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)為0），電子和空穴的濃度分別為在半導(dǎo)體內(nèi)部，電中性條件成立，故即帶入可得上式兩邊乘以dV并積分，得到將上式兩邊積分，并根據(jù)得令 分別稱為德拜長(zhǎng)度 ，F(xiàn)函數(shù)。 則式中當(dāng)V大于0時(shí)，取“+”號(hào)；小于0時(shí)，取“-”號(hào)。在表面處V=

4、Vs，半導(dǎo)體表面處電場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)高斯定理，表面電荷面密度Qs與表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系，帶入可得當(dāng)金屬電極為正，即Vs0，Qs用負(fù)號(hào)；反之Qs用正號(hào)。在單位表面積的表面層中空穴的改變量為因?yàn)榭紤]到x=0，V=Vs和x=，V=0，則得 同理可得微分電容單位F/m2。8.2.3 各種表面層狀態(tài)（1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（積累層）（1）積累層（VG0） （Vs0）VG0時(shí)，表面處空穴被排斥走，當(dāng)空穴勢(shì)壘足夠高時(shí)，表面層價(jià)帶空穴極為稀少，可認(rèn)為該層多子空穴被耗盡，稱為耗盡層。表面微分電容為采用耗盡近似8.2.3 各種表面層狀態(tài)（4）少數(shù)載流子反型狀態(tài)（反型層， VG0 ）開始出現(xiàn)反型層的條件：表面勢(shì)費(fèi)米

5、勢(shì)時(shí)反型層的條件：8.2.3 各種表面層狀態(tài)強(qiáng)反型層出現(xiàn)的條件：型襯底表面處的電子密度等于體內(nèi)的空穴濃度時(shí)。強(qiáng)反型層條件：8.2.3 各種表面層狀態(tài)金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)壓，多子堆積金屬與半導(dǎo)體間加不太高的正壓，多子耗盡金屬與半導(dǎo)體間加高正壓，少子反型p型半導(dǎo)體8.2.3 各種表面層狀態(tài)n 型半導(dǎo)體金屬與半導(dǎo)體間加正壓，多子堆積金屬與半導(dǎo)體間加不太高的負(fù)壓，多子耗盡金屬與半導(dǎo)體間加高負(fù)壓，少子反型8.3 MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性MIS結(jié)構(gòu)的微分電容理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性理想MIS結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性8.3.1 MIS結(jié)構(gòu)的微分電容柵壓VG= VO+ VS 當(dāng)不考

6、慮表面態(tài)電荷,半導(dǎo)體的總電荷 面密度 QS = - QG MIS結(jié)構(gòu)的微分電容C dQG/dVG 定義 氧化層電容 空間電荷區(qū)電容則有8.3.2 理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性理想MIS結(jié)構(gòu):金屬的功函數(shù)與半導(dǎo)體相同（Vms=0）氧化層中沒有電荷存在（Qo=0）半導(dǎo)體氧化物沒有界面態(tài)（Qss=0）MSIMIS結(jié)構(gòu)的微分電容公式: VG0 VS0, 0VS VT, VS 2VB表面強(qiáng)反型, CS很大, (C/Co)1閾值電壓(開啟電壓)半導(dǎo)體表面剛達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所加的柵壓歸一化電容理想MIS結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性 表面積累,表面耗盡,高低頻特性一樣 VG VT， VS 2VB, 表面強(qiáng)反型 高頻時(shí),

7、反型層中電子的增減跟不上頻率的變化,空間電荷區(qū)電容呈現(xiàn)的是耗盡層電容最小值 MIS結(jié)構(gòu)的電容也呈現(xiàn)最小值 不再隨偏壓VG呈現(xiàn)顯著變化深耗盡狀態(tài)當(dāng)偏壓VG的變化十分迅速, 且其正向幅度大于VT,則: 即使表面勢(shì)VS2VB ,反型層也來不及建立, 耗盡層寬度隨偏壓幅度的增大而增大-深耗盡狀態(tài)當(dāng)表面處于深耗盡-隨VG增加, d增加(dM), MOS結(jié)構(gòu)的電容不再呈現(xiàn)為最小值.8.3.4 實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性(1) 功函數(shù)差異的影響平帶電壓 為了恢復(fù)半導(dǎo)體表面平帶狀態(tài)需要加的電壓. 考慮功函數(shù)差異的影響: VFB= - Vms(2)絕緣層中電荷的影響當(dāng)絕緣層處有一薄層電荷,其面電荷密度為當(dāng)絕緣層

8、中有分布電荷 則有: 其中,氧化層中總有效電荷面密度 C-V特性的應(yīng)用求氧化層厚度dOX: COX dOX求半導(dǎo)體摻雜濃度NA(ND): Cmin + dOX NA(ND) 計(jì)算,或圖8-12求氧化層中總有效電荷面密度QOX: dOX + NA CFB VFB QOX8.4 Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)1. 二氧化硅中的可動(dòng)離子2. 二氧化硅中的固定表面電荷3. 在硅二氧化硅界面處的快界面態(tài)4.二氧化硅中的陷阱電荷8.4.1 二氧化硅中的可動(dòng)離子二氧化硅中的可動(dòng)離子有Na、K、H等，其中最主要而對(duì)器件穩(wěn)定性影響最大的是Na離子。來源：使用的試劑、玻璃器皿、高溫器材以及人體沾污等 為什么SiO2層中

9、容易玷污這些正離子而且易于在其中遷移呢？二氧化硅結(jié)構(gòu)的基本單元是一個(gè)由硅氧原子組成的四面體，Na離子存在于四面體之間，使二氧化硅呈現(xiàn)多孔性，從而導(dǎo)致Na離子易于在二氧化硅中遷移或擴(kuò)散。 由于Na的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它雜質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦關(guān)系，擴(kuò)散系數(shù)跟遷移率成正比，故Na離子在二氧化硅中的遷移率也特別大。 溫度達(dá)到100攝氏度以上時(shí)，Na離子在電場(chǎng)作用下以較大的遷移率發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)。作偏壓溫度實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)量二氧化硅中單位面積上的Na離子電荷量：?jiǎn)挝幻娣e鈉離子電荷數(shù)：可動(dòng)鈉離子對(duì)器件的穩(wěn)定性影響最大 （1）漏電增加，擊穿性能變壞 （2）平帶電壓增加如何解決鈉離子玷污的問題 （1）把好清潔關(guān) （2）磷

10、蒸汽處理8.4.2 二氧化硅中的固定表面電荷二氧化硅層中固定電荷有如下特征 電荷面密度是固定的這些電荷位于Si-SiO2界面200范圍以內(nèi)固定表面電荷面密度的數(shù)值不明顯地受氧化層厚度或硅中雜質(zhì)類型以及濃度的影響 固定電荷面密度與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系 過剩硅離子是固定正電荷的來源這些電荷出現(xiàn)在Si-SiO2界面200范圍以內(nèi)，這個(gè)區(qū)域是SiO2與硅結(jié)合的地方，極易出現(xiàn)SiO2層中的缺陷及氧化不充分而缺氧，產(chǎn)生過剩的硅離子實(shí)驗(yàn)證明，若在硅晶體取向分別為111、110和100三個(gè)方向生長(zhǎng)SiO2時(shí)，他們的硅二氧化硅結(jié)構(gòu)中的固定表面電荷密度之比約為3:2:1。 將氧離子注入S

11、i-SiO2系統(tǒng)界面處，在450度進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)固定表面電荷密度有所下降將MOS結(jié)構(gòu)加上負(fù)柵偏壓進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度高出鈉離子漂移溫度（127度）時(shí)，這些固定的表面電荷密度有所增加。 平帶電壓 單位表面積的固定正電荷數(shù)目 在Si-SiO2界面處的快界面態(tài)Si-SiO2系統(tǒng)中位于兩者界面處的界面態(tài)就是來自于懸掛鍵，即所謂塔姆能級(jí)。硅表面的晶格缺陷和損傷，將增加懸掛鍵的密度，同樣引入界面態(tài)。在硅表面處存在雜質(zhì)等也可以引入界面態(tài)，這些界面態(tài)位于Si-SiO2界面處，所以可以迅速地和Si半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)帶或價(jià)帶交換電荷，故此稱為“快態(tài)”。 界面態(tài)能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈現(xiàn)電中性，而施放了電子之后呈現(xiàn)正電性，稱為施主型界面態(tài) 若能級(jí)空著時(shí)為電中性而被電子占據(jù)時(shí)帶上負(fù)電荷，即稱為受主型界面態(tài) 界面態(tài)能級(jí)被電子或空穴所占據(jù)的概率，與半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)能級(jí)