半導(dǎo)體表面和結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體表面和結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三本章內(nèi)容：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)第2頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.1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)。第3頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三從化學(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)。第4頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由表面態(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。第5頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)

8.2.1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)體表面第6頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)

8.2.1空間電荷層及表面勢(shì)電場(chǎng)電勢(shì)電子勢(shì)能表面能帶第7頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)

8.2.1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。第8頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.2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。空間電荷層中電勢(shì)滿足泊松方程第9頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三其中設(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第10頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在半導(dǎo)體內(nèi)部，電中性條件成立，故即帶入可得第11頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三上式兩邊乘以dV并積分，得到將上式兩邊積分，并根據(jù)第12頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三得令第13頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分別稱為德拜長(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)。第14頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在表面處V=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，第15頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三帶入可得當(dāng)金屬電極為正，即Vs>0，Qs用負(fù)號(hào)；反之Qs用正號(hào)。第16頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在單位表面積的表面層中空穴的改變量為因?yàn)榈?7頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三考慮到x=0，V=Vs和x=∞，V=0，則得同理可得第18頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三微分電容單位F/m2。第19頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.3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（VG＜0）（Vs<0）VG<0時(shí)，電場(chǎng)由體內(nèi)指向表面，能帶向上彎曲，形成空穴勢(shì)阱，多子空穴被吸引至表面附近，因而表面空穴濃度高于體內(nèi)，形成多子積累，成為積累層。表面微分電容第20頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.3各種表面層狀態(tài)（2）平帶狀態(tài)（2）平帶（VG=0）VG=0時(shí)，能帶無彎曲，無空間電荷區(qū)。平帶電容為第21頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.3各種表面層狀態(tài)（3）耗盡狀態(tài)（耗盡層）（3）耗盡層（VG＞0）VG>0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第22頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.3各種表面層狀態(tài)（4）少數(shù)載流子反型狀態(tài)（反型層，VG＞0

）

①開始出現(xiàn)反型層的條件：表面勢(shì)＝費(fèi)米勢(shì)時(shí)反型層的條件：第23頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.3各種表面層狀態(tài)②強(qiáng)反型層出現(xiàn)的條件：Ｐ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：第24頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.3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)體第25頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2.3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，少子反型第26頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§8.3MIS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特性第27頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.3.1MIS結(jié)構(gòu)的微分電容柵壓——VG=VO+VS當(dāng)不考慮表面態(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——CdQG/dVG

第28頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定義

氧化層電容——

空間電荷區(qū)電容——?jiǎng)t有第29頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.3.2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）絕緣層中沒有電荷存在且絕緣層不導(dǎo)電（Qo=0）半導(dǎo)體與絕緣層接觸界面沒有表面態(tài)（Qss=0）MSI第30頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三MIS結(jié)構(gòu)的微分電容公式:第31頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①VG<0VS<0

表面積累,CS很大,(C/Co)→1,MIS結(jié)構(gòu)的電容呈現(xiàn)為Co第32頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三②VG=0,VS=0平帶狀態(tài)，歸一化平帶電容第33頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第34頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三③VG>0,0<VS<2VB

表面耗盡第35頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三④VG>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]歸一化電容第36頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.3.3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),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

第37頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第38頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三?

MIS結(jié)構(gòu)的電容也呈現(xiàn)最小值

——不再隨偏壓VG呈現(xiàn)顯著變化第39頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第40頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三深耗盡狀態(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)VS>2VB,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)第41頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(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.第42頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.3.4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第43頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第44頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第45頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)絕緣層中電荷的影響當(dāng)絕緣層處有一薄層電荷,其面電荷密度為第46頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第47頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)絕緣層中有分布電荷則有:

其中,氧化層中總有效電荷面密度第48頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.4Si-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第49頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第50頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.4.1二氧化硅中的可動(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層中容易玷污這些正離子而且易于在其中遷移呢？第51頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二氧化硅結(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。

第52頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第53頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三溫度達(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)。第54頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三作偏壓–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)：第55頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可動(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）磷蒸汽處理第56頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.4.2二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)系第57頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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Si-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。第58頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期三平帶電壓

單位表面積的固定