半導(dǎo)體器件與物理課件七

半導(dǎo)體器件與物理課件七第一頁，共69頁。●——本章重點(diǎn)硅-二氧化硅界面中存在的不利因素和消除措施MOS結(jié)構(gòu)中C-V曲線揭示了氧化層等器件質(zhì)量性能閾值電壓表征半導(dǎo)體表面反型狀態(tài)，它是MOS器件的基礎(chǔ)第二頁，共69頁。7.1半導(dǎo)體表面和界面結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件的特性與半導(dǎo)體表面特征性質(zhì)有特別重要的聯(lián)系。在超、特大集成電路迅速發(fā)展的今天，半導(dǎo)體器件的制造相當(dāng)多是在很薄的一層表面內(nèi)完成的（幾個(gè)微米甚至更小），因而，如何有效控制和完善半導(dǎo)體的表面質(zhì)量，從而進(jìn)一步利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)，可用來制造例如MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）器件、CCD（電荷耦合器件）、LED（發(fā)光二極管）、LCD（液晶顯示）、半導(dǎo)體激光等表面發(fā)光器件，以及太陽能電池等表面感應(yīng)器件。

第三頁，共69頁。理想表面（清潔表面）原子完全有規(guī)則排列所終止的一個(gè)平面。

表面排列整齊的硅原子與體內(nèi)的硅原子形成共價(jià)鍵，但由于表面價(jià)鍵處于所謂“懸掛鍵”的空置狀態(tài)，其狀態(tài)極其不穩(wěn)定，表面很容易吸附一些其他原子例如空氣中的氧原子而形成氧化層。第四頁，共69頁。真實(shí)表面用物理或化學(xué)方法形成的半導(dǎo)體表面，暴露在空氣中，存在氧化層或吸附其他原子。表面存在“懸掛鍵”，對(duì)電子有受主的性質(zhì)，存在一些可以容納電子的能量狀態(tài)，稱為“表面能級(jí)”或“表面態(tài)”。表面能級(jí)在禁帶中靠近價(jià)帶頂?shù)奈恢?，?zhǔn)連續(xù)。第五頁，共69頁。表面能級(jí)密度單位面積所具有的表面態(tài)的數(shù)目。cm-2

表面費(fèi)米能級(jí)(EF)S載流子填充表面能級(jí)的狀態(tài)。電子填充帶負(fù)電；空穴填充帶正電。第六頁，共69頁。內(nèi)表面真實(shí)表面存在天然氧化層，半導(dǎo)體與天然氧化層的交界面；內(nèi)表面能級(jí)密度比原子密度小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。外表面天然氧化層與外界接觸的交界面。

第七頁，共69頁。快態(tài)能級(jí)在毫秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)完成與體內(nèi)交換電子。（內(nèi)表面）需較長(zhǎng)時(shí)間完成與體內(nèi)交換電子。（外表面）慢態(tài)能級(jí)第八頁，共69頁。Si-SiO2界面的結(jié)構(gòu)利用熱生長(zhǎng)或化學(xué)汽相淀積人工生長(zhǎng)的SiO2可有厚達(dá)幾千埃（10-10m），外表面能級(jí)幾乎無法與體內(nèi)交換電子，Si-SiO2界面有別于理想表面和真實(shí)表面，慢態(tài)能級(jí)和外界氣氛對(duì)半導(dǎo)體內(nèi)的影響很小。SiO2常用作MOS結(jié)構(gòu)中的絕緣介質(zhì)層，器件有源區(qū)之間場(chǎng)氧化隔離，選擇摻雜的掩蔽膜，鈍化保護(hù)膜等。

第九頁，共69頁。硅-二氧化硅界面，二氧化硅層中，存在一些嚴(yán)重影響器件性能的因素，主要是氧化層中可動(dòng)離子，固定氧化層電荷，界面陷阱，以及輻射、高溫高負(fù)偏置應(yīng)力會(huì)引起附加氧化層電荷的增加等。

第十頁，共69頁。練習(xí)P1271第十一頁，共69頁?？蓜?dòng)離子在人工生長(zhǎng)的二氧化硅層中存在著一些可移動(dòng)的正電荷，它們主要是沾污氧化層的一些離子。剛沾污時(shí)，這些正離子都在氧化層的外表面上。在電場(chǎng)及溫度的作用下，它們會(huì)漂移到靠近硅-二氧化硅界面處，在硅的表面處感應(yīng)出負(fù)電荷，對(duì)器件的穩(wěn)定性有很大的影響。其中最主要的是鈉離子（Na+），它在二氧化硅中進(jìn)行漂移的激活能很低，因此危害很大。

第十二頁，共69頁。為了防止和去掉鈉離子沾污的影響，除了嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)定防止離子沾污外，提高制備材料（如化學(xué)試劑、氣體等）的純度，改進(jìn)工藝裝備和方法，是獲得穩(wěn)定的MOS器件的重要手段。目前有兩種工藝被廣泛應(yīng)用：磷穩(wěn)定化和氯中性化。磷穩(wěn)定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，擴(kuò)散中可動(dòng)鈉離子總是進(jìn)入氧化層中的富磷區(qū)，一旦離子被陷在磷硅玻璃中，即使回到室溫，它仍會(huì)保持被陷狀態(tài)，保證二氧化硅內(nèi)堿金屬離子最小狀態(tài)。氯中性化在即生長(zhǎng)二氧化硅層時(shí)，將少量氯化合物一起反應(yīng)生成一種新的材料，它是位于氧化層-硅界面的氯硅氧烷，當(dāng)鈉離子遷移到氧化層-硅界面時(shí)會(huì)被陷住中和，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化。

第十三頁，共69頁。實(shí)驗(yàn)表明硅-二氧化硅界面附件的二氧化硅一側(cè)內(nèi)存在一些固定正電荷，它們大致分布在近界面100?的范圍內(nèi)。對(duì)半導(dǎo)體表面的電性質(zhì)有重要的影響。其特點(diǎn)可總結(jié)分析如下：（1）固定電荷與氧化層厚度、半導(dǎo)體摻雜濃度、摻雜類型無關(guān)；（2）固定電荷受不同晶向影響而變化，其密度（111）表面最大，（100）表面最小，兩者比例大約為3：1；（3）固定電荷密度與氧化條件（如氧化氣氛、爐溫）緊密相關(guān)，溫度上升固定電荷密度則近似線性下降。值得注意，當(dāng)氧化過程中經(jīng)過不同溫度條件生長(zhǎng)氧化層，其固定電荷由最終溫度決定；（4）氧化過硅片在氬氣或氮?dú)鈿夥罩型嘶穑訜幔┳銐蜷L(zhǎng)的時(shí)間，不管其生長(zhǎng)氧化層溫度高還是低，總可以獲得最小固定電荷密度值。固定正電荷第十四頁，共69頁。先生長(zhǎng)的氧化層卻是留在外表面，而后生長(zhǎng)的氧化層則是留在與硅接觸的內(nèi)表面，即界面處，這也就是界面處固定電荷為什么由最終氧化溫度決定的道理（氧化溫度越低，固定正電荷密度越大）。減少固定電荷的標(biāo)準(zhǔn)工藝，即在惰性氣體中退火，圖中可見它的QF（單位柵面積固定電荷）值最小。

第十五頁，共69頁。界面陷阱（界面態(tài)）

界面陷阱一般分布于整個(gè)禁帶范圍內(nèi)，有的甚至可以高于導(dǎo)帶底（EC）和低于價(jià)帶頂（EV）。

界面陷阱可以是施主型的，也可以是受主型的。

產(chǎn)生界面陷阱主要由于半導(dǎo)體表面的不完全化學(xué)鍵或所謂“懸掛鍵”引起的。界面價(jià)鍵在形成氧化層時(shí)，沒有被飽和而懸掛著，就會(huì)變成界面陷阱。

第十六頁，共69頁。（1）界面陷阱密度在（111）表面最大，在（100）表面最小，禁帶中央其界面態(tài)比例大約為3：1；（2）界面陷阱在干氧氣氛中氧化后，其密度較高，禁帶中央為1011~1012/cm2·eV，氧化溫度越高，界面態(tài)密度越大；（3）在較低溫度（≤500℃）含氫氣氣氛中退火可以減小界面態(tài)密度，禁帶中央為≤1010/cm2·eV，但是在惰性氣氛高溫（≥600℃）下退火卻不能降低；（4）界面陷阱密度在禁帶中央的區(qū)域基本不變，在靠近價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底邊緣增長(zhǎng)很快。且數(shù)目相等、電性相反，即導(dǎo)帶下應(yīng)該是施主型界面態(tài)，價(jià)帶上應(yīng)該是受主型界面態(tài)。

第十七頁，共69頁。減小界面態(tài)的方法除了氫氣退火外，還可用金屬后退火工藝，在金屬后退火溫度下活性柵材料（鋁）會(huì)在氧化層表面與水蒸氣反應(yīng)，釋放出氫原子，它會(huì)通過二氧化硅層與懸掛鍵結(jié)合，從面減小界面態(tài)密度。

界面態(tài)能量分布和退火前后界面態(tài)密度比較第十八頁，共69頁。電離陷阱

固態(tài)器件中輻射損傷一直是航空和軍事應(yīng)用上碰到的主要問題。有些損傷會(huì)直接導(dǎo)致失效，而更多的可能使器件和系統(tǒng)退化，影響其性能和使用。輻射損傷的主要過程：首先在氧化層中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其一部分會(huì)立刻復(fù)合，剩余部分在氧化層中電場(chǎng)作用下分離，電子和空穴沿相反方向加速，由于電子的遷移率比空穴大，電子會(huì)迅速離開氧化層（納秒數(shù)量級(jí)），而空穴由于躍遷一段時(shí)間后到達(dá)Si-SiO2界面，它會(huì)與來自硅的電子復(fù)合或在深能級(jí)處被陷住，一旦陷住后，就類似于固定電荷（稱之為電離陷阱）。同時(shí)，輻射還能增加界面態(tài)。

第十九頁，共69頁。第二十頁，共69頁。熱退火可以很容易地去除如離子注入、電子束蒸發(fā)、等離子濺射等工藝過程中的輻射損傷，但制備后的器件中實(shí)際恢復(fù)是相對(duì)有限的，因此更可取的方法是對(duì)器件進(jìn)行“加固”。例如：柵氧化溫度低于1000℃來加固氧化層，使輻射的敏感度降低。鋁屏蔽加固可阻止大多數(shù)空間帶能粒子，并增大MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓，減弱輻射造成柵電壓變化對(duì)閾值電壓的影響。第二十一頁，共69頁。7.2表面勢(shì)我們已經(jīng)對(duì)Si-SiO2界面的電荷情況作了詳細(xì)討論。再在氧化層上進(jìn)一步淀積一層金屬（通常是鋁）就構(gòu)成所謂MOS結(jié)構(gòu)，它是目前制造器件的基本結(jié)構(gòu)形式。中間絕緣層（SiO2）將金屬板和半導(dǎo)體兩個(gè)電極隔開。第二十二頁，共69頁。絕緣體內(nèi)無任何電荷且完全不導(dǎo)電，金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差為零，絕緣體與半導(dǎo)體界面不存在任何界面態(tài)。如圖，V=0時(shí)，其能帶情況，圖中金屬功函數(shù)為qφm，半導(dǎo)體功函數(shù)為qφS，兩者的差為零，qχ為電子親和力，而qΨF為費(fèi)米能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)差。

理想狀態(tài)第二十三頁，共69頁。第二十四頁，共69頁。試畫出理想MOS結(jié)構(gòu)（N型半導(dǎo)體為襯底）平衡時(shí)的能帶圖。P1272，3，4，5第二十五頁，共69頁。

空間電荷區(qū)

實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)就可看作一個(gè)平行板電容器。我們從上面圖中得知，在不加電壓情況下，其能帶是平的（平帶狀況），當(dāng)兩端加一定電壓后，金屬和半導(dǎo)體兩個(gè)面將被充電，它們所帶電荷符號(hào)相反，電荷分布也不一樣。金屬中電荷分布在一個(gè)原子層的厚度范圍內(nèi)；而半導(dǎo)體中，由于自由載流子密度要低得多，電荷必定在一定厚度的表面層內(nèi)分布，這個(gè)帶電的表面層稱空間電荷區(qū)。

第二十六頁，共69頁?？臻g電荷區(qū)表面到內(nèi)部另一端，電場(chǎng)從最大逐漸減弱到零，其各點(diǎn)電勢(shì)也要發(fā)生變化，這樣表面相對(duì)體內(nèi)就產(chǎn)生電勢(shì)差，并伴隨能帶彎曲，常稱空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)ΨS。

表面勢(shì)

第二十七頁，共69頁。

MIS結(jié)構(gòu)加正向電壓時(shí)，金屬側(cè)積累正電荷，在半導(dǎo)體表面一薄層內(nèi)便形成了一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)，同時(shí)形成了一個(gè)方向指向半導(dǎo)體內(nèi)部的表面電場(chǎng)。也可以說在半導(dǎo)體表面存在一個(gè)電勢(shì)差，各點(diǎn)的靜電勢(shì)Ψ(x)逐漸下降。到達(dá)電中性后，各點(diǎn)靜電勢(shì)保持相等，如圖(a)所示。圖中體內(nèi)的電勢(shì)取為零，ΨS稱為表面電勢(shì)，對(duì)于負(fù)空間電荷的情況，表面勢(shì)為正的，E為表面電場(chǎng)。從能帶的觀點(diǎn)看，表面的能帶將發(fā)生彎曲。由于電子的電勢(shì)能為-qΨ(x)，因此能帶自半導(dǎo)體內(nèi)部到表面向下彎曲。圖(b)表明負(fù)空間電荷區(qū)表面能帶向下彎曲的情況。此時(shí)，表面與體內(nèi)達(dá)到了熱平衡，具有共同的費(fèi)米能級(jí)；空間電荷區(qū)中的負(fù)電荷恰好與金屬中的正電荷相等。

第二十八頁，共69頁。第二十九頁，共69頁。

MIS結(jié)構(gòu)加反向電壓時(shí)，金屬側(cè)積累負(fù)電荷，半導(dǎo)體表面一層便形成正的空間電荷區(qū)。此時(shí)，表面勢(shì)ΨS是負(fù)的，表面電場(chǎng)由半導(dǎo)體指向外界，表面的能帶向上彎曲，如圖所示。

第三十頁，共69頁。

表面積累（對(duì)P型半導(dǎo)體而言）

施加一個(gè)負(fù)電壓（V＜0）于金屬平板上時(shí)，半導(dǎo)體表面將產(chǎn)生超量的正載流子（空穴），表面勢(shì)為負(fù)，表面能帶向上彎曲，如圖（a）所示。半導(dǎo)體表面向上彎曲的能帶使得Ei-EF的能級(jí)差變大，價(jià)帶頂逐漸移近甚至超過表面費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而提高空穴濃度，造成表面空穴堆積，此種情況稱為表面積累。與之對(duì)應(yīng)電荷分布如右半部分所示，其中，QS為半導(dǎo)體中每單位面積的正電荷量，而Qm為金屬中每單位面積的負(fù)電荷量，它們的數(shù)量是相等的，符號(hào)相反。

第三十一頁，共69頁。第三十二頁，共69頁。表面耗盡施加一個(gè)正電壓（V＞0）于金屬板上時(shí)，表面勢(shì)為正值，表面處能帶向下彎曲，如圖（b）所示。這時(shí)越接近表面，價(jià)帶頂離費(fèi)米能級(jí)越遠(yuǎn)，價(jià)帶中空穴濃度隨之降低。并且，外加正電壓越大，能帶向下彎曲越深；越接近表面，空穴濃度比體內(nèi)低得多，表面層的負(fù)電荷基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度，這種情況稱表面耗盡。半導(dǎo)體中每單位面積的空間電荷QSC的值為qNAW，其中W為表面耗盡區(qū)的寬度。

第三十三頁，共69頁。第三十四頁，共69頁。表面反型施加一個(gè)更大正電壓時(shí)，表面處能帶進(jìn)一步向下彎曲，如圖（c）所示。表面處費(fèi)米能級(jí)位置高于禁帶中央能級(jí)Ei，也就是說，費(fèi)米能級(jí)離導(dǎo)帶底比離價(jià)帶頂更近一些，這意味著表面處性質(zhì)發(fā)生根本性變化，表面電子濃度超過空穴濃度，表面導(dǎo)電類型由空穴型轉(zhuǎn)變成電子型，這種情況稱表面反型。反型層Xi發(fā)生在近表面，且厚度很薄，而緊靠其內(nèi)部還夾著一層耗盡層，厚度比反型層大很多。第三十五頁，共69頁。第三十六頁，共69頁。對(duì)于N型半導(dǎo)體，同樣可證明：金屬電極加正電壓為電子積累；加小負(fù)電壓為耗盡狀態(tài)；而負(fù)電壓進(jìn)一步增大時(shí)，表面空穴堆積出現(xiàn)反型層。

第三十七頁，共69頁。第三十八頁，共69頁。7.3MOS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性

金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)中，實(shí)際氧化物就是絕緣體，它完全類同于MIS電容，是一種特例，稱MOS電容。由于制造MOS器件必然采用這種結(jié)構(gòu)，因而MOS電容成為集成電路中制造電容首選，而其寄生性同樣是引起器件性能下降的原因所在。所以，對(duì)這一結(jié)構(gòu)的研究分析，從來就沒有停止過。

第三十九頁，共69頁。理想MOS電容

金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差為零；氧化層及界面電荷為零；界面態(tài)為零；半導(dǎo)體體內(nèi)電阻為零；氧化層完全不導(dǎo)電。能帶應(yīng)是平的；半導(dǎo)體表面處ΨS=0。

第四十頁，共69頁。電壓分布

VG一部分降落在氧化層中，另一部分降落在半導(dǎo)體表面（空間電荷區(qū)，而體內(nèi)電壓降為零）。

把MOS電容看作為一個(gè)平行板電容器，并且由上面電壓關(guān)系得知，MOS電容實(shí)際就是由一個(gè)氧化層電容和一個(gè)半導(dǎo)體中空間電荷區(qū)電容的串聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的。

第四十一頁，共69頁。氧化層單位面積電容

Xox氧化層厚度；ε0真空介電常數(shù)；εOX氧化層相對(duì)介電系數(shù)。

式（7-2）第四十二頁，共69頁。半導(dǎo)體微分電容

W耗盡層寬度；εS半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)

第四十三頁，共69頁。理想MOS結(jié)構(gòu)總電容

第四十四頁，共69頁。（100）硅，摻雜ND=9.1×1014/cm3Xox=0.119μm，高頻（1MHz）和低頻（準(zhǔn)靜態(tài)）條件下實(shí)際測(cè)得C-V特性曲線。分情況討論略。

理想MOS的C-V特性曲線

第四十五頁，共69頁。實(shí)際MOS的C-V特性曲線

1）氧化層內(nèi)正電荷對(duì)C-V特性的影響

氧化層內(nèi)正電荷（QSS）的作用，可以看作在沒有外加電壓（VG=0）時(shí)，相當(dāng)于施加了一個(gè)正電壓，如果要消除它的影響，則應(yīng)當(dāng)在柵上施加一個(gè)負(fù)電壓（-VFB）來抵消，使彎曲的能帶重新變?yōu)槠綆?，平帶時(shí)的電容稱平帶電容，用CFB表示，如圖所示。圖中可見，正電荷總是使C-V曲線產(chǎn)生左移影響。第四十六頁，共69頁。正電荷引起C-V曲線移動(dòng)（左圖P型襯底，右圖N型襯底）

第四十七頁，共69頁。2）金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)的影響

真空能級(jí)和費(fèi)米能級(jí)之間的能量差稱為材料的功函數(shù)（Φ）。不同材料，具有不同功函數(shù)，因而MOS結(jié)構(gòu)的兩個(gè)電極（金屬、半導(dǎo)體）就會(huì)存在功函數(shù)差（ΦMS）

。由于鋁功函數(shù)小于半導(dǎo)體，不管是N型還是P型半導(dǎo)體，功函數(shù)差ΦMS都是負(fù)值；而一般鋁和N型半導(dǎo)體的ΦMS總比與P型半導(dǎo)體的ΦMS來得小。ΦMS使C-V曲線產(chǎn)生左移影響目前更多是用高摻雜的多晶硅（polysilicon）來代替鋁制作柵極，N+多晶硅效果與鋁作用一致，但實(shí)際功函數(shù)差略大于鋁。P+多晶硅代替鋁，造成功函數(shù)差卻是正的，對(duì)于N型襯底的作用是極為有利的。

第四十八頁，共69頁。第四十九頁，共69頁。第五十頁，共69頁。3）摻雜濃度、氧化層厚度、溫度對(duì)C-V特性影響

摻雜濃度提高，高頻反型電容會(huì)大大增加，耗盡偏置區(qū)將大大展寬。曲線上表現(xiàn)為電容下降的耗盡范圍從1V左右擴(kuò)展到2V以上，反型區(qū)域最小電容值按（倍/數(shù)量級(jí)）增加，呈底部抬高之勢(shì)。而無曲線平移，且積累區(qū)電容固定，各摻雜濃度重疊一致。如圖所示為不同P型摻雜濃度對(duì)MOS電容高頻C-V特性影響。

第五十一頁，共69頁。第五十二頁，共69頁。

溫度對(duì)C-V特性影響如圖所示，它對(duì)反型偏置電容有中等敏感度，其他區(qū)域則基本上不隨溫度變化。

氧化層厚度增加也會(huì)使耗盡偏置區(qū)展寬，并使高頻反型電容升高，形式與摻雜一致，主要由于展厚氧化層將分擔(dān)更大比例電壓所致。第五十三頁，共69頁。第五十四頁，共69頁。7.4MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓通常把使半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型（Ψs=2ΨF

）所需加在金屬柵極上的電壓定義為閾值電壓，又可稱開啟電壓。

理想MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓（P型半導(dǎo)體襯底）耗盡層中電荷量

式（7-7）式（7-8）第五十五頁，共69頁。W耗盡層寬度

當(dāng)Ψs=2ΨF時(shí)，W=Wm式（7-10）第五十六頁，共69頁。P型半導(dǎo)體襯底理想MOS結(jié)構(gòu)閾值電壓表達(dá)式第五十七頁，共69頁。N型半導(dǎo)體襯底理想MOS結(jié)構(gòu)閾值電壓表達(dá)式第五十八頁，共69頁?！纠?-1】一個(gè)襯底NA=1017cm-3的理想MOS結(jié)構(gòu)，設(shè)氧化層厚度Xox=50?，試計(jì)算單位面積氧化層電容COX和Ψs=2ΨF的值。最大耗盡層寬度Wm和半導(dǎo)體中每單位面積的空間電荷QSC的值。二氧化硅和硅的相對(duì)介電常數(shù)分別是3.9和11.9。

第五十九頁，共69頁。解：由式（7-2）得

由式（7-7）得

第六十頁，共69頁。由式（7-10）得

第六十一頁，共69頁。由式（