半導(dǎo)體物理講義

半導(dǎo)體物理講義半導(dǎo)體物理講義半導(dǎo)體物理講義8.1表面態(tài)8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性8.4硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)8.5表面電導(dǎo)與遷移率8.6表面電場(chǎng)對(duì)pn結(jié)特性的影響通過(guò)閱讀報(bào)刊，我們能增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，擴(kuò)大自己的知識(shí)面。半導(dǎo)體物理講義半導(dǎo)體物理講義半導(dǎo)體物理講義8.1表面態(tài)通18.1表面態(tài)8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性8.4硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)8.5表面電導(dǎo)與遷移率8.6表面電場(chǎng)對(duì)pn結(jié)特性的影響8.1表面態(tài)2表面電場(chǎng)效應(yīng)理想與非理想的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)表面電導(dǎo)本章重點(diǎn)表面電場(chǎng)效應(yīng)本章重點(diǎn)38.1表面態(tài)一、概念(一)理想表面情形與實(shí)際表面情形1.理想表面情形指表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無(wú)限晶體表面。這種理想表面實(shí)際上是不存在的。2.實(shí)際表面情形在近表面幾個(gè)原子厚度的表面層中，離子實(shí)所受的勢(shì)場(chǎng)作用不同于晶體內(nèi)部，使得晶體所固有的三維平移對(duì)稱性在表面層中受到破壞。同時(shí)，實(shí)際晶體表面往往存在著晶體缺陷、微氧化膜，或附著其它分子和原子。使表面情況復(fù)雜化。8.1表面態(tài)一、概念(一)理想表面情形與實(shí)際表面情形4晶體自由表面的存在使其周期場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷后，在禁帶中產(chǎn)生的附加能級(jí)。(二)達(dá)姆表面能級(jí)(三)表面態(tài)1.理想表面情形下的表面態(tài)先討論一維情況。下圖表示一個(gè)理想一維晶體的勢(shì)能函數(shù)：x=0處相當(dāng)于晶體表面；x≥0區(qū)為晶體內(nèi)部，勢(shì)場(chǎng)隨x周期地變化，周期為a(半無(wú)限周期勢(shì)場(chǎng))；x≤0區(qū)相當(dāng)于晶體以外區(qū)域，勢(shì)能為一個(gè)常數(shù)V0。(1)從勢(shì)能函數(shù)方面說(shuō)明晶體自由表面的存在使其周期場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷5半導(dǎo)體物理講義6在x=0處兩邊，電子的波函數(shù)都是按指數(shù)關(guān)系衰減，表明電子的分布概率主要集中在該處即電子被局限在表面附近，把這種電子狀態(tài)稱為表面態(tài)，對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為表面能級(jí)。在一定條件下，每個(gè)表面原子在禁帶中對(duì)應(yīng)一個(gè)表面能級(jí)。推廣到三維情形，在三維晶體中，仍是每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)禁帶中的一個(gè)表面能級(jí)，這些表面能級(jí)組成表面能帶。在x=0處兩邊，電子的波函數(shù)都是按指數(shù)關(guān)系衰7(2)從化學(xué)鍵方面說(shuō)明(以Si晶體為例)晶格的表面處突然終止，在表面最外層的每個(gè)Si原子將有一個(gè)未配對(duì)的電子，即有一個(gè)未飽和的鍵，稱為懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài)。如下圖所示。(2)從化學(xué)鍵方面說(shuō)明(以Si晶體為例)晶82.實(shí)際表面情形下的表面態(tài)即由于表面存在晶體缺陷、微氧化膜，或附著其它分子和原子等原因引起的表面態(tài)，其數(shù)值與表面經(jīng)過(guò)的處理方法有關(guān)。而達(dá)姆表面態(tài)對(duì)給定的晶體在潔凈表面時(shí)為一定值。2.實(shí)際表面情形下的表面態(tài)即由于表面存在9二、表面態(tài)種類分為兩種：若能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電性，稱為施主型表面態(tài)；若能級(jí)空著時(shí)呈電中性，接受電子后呈負(fù)電性，稱為受主型表面態(tài)；二、表面態(tài)種類分為兩種：108.2表面電場(chǎng)效應(yīng)采用MIS結(jié)構(gòu)來(lái)研究表面電場(chǎng)效應(yīng)：由中間以絕緣層隔開的金屬板和半導(dǎo)體襯底組成。該結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)電容。8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)采用MIS結(jié)構(gòu)來(lái)研究表面11一、理想MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件的結(jié)構(gòu)：金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差為零；在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷，且絕緣層完全不導(dǎo)電；絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。一、理想MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件的結(jié)構(gòu)：12二、空間電荷層與表面勢(shì)在金屬與半導(dǎo)體之間加電壓后，在金屬與半導(dǎo)體相對(duì)的兩個(gè)面上被充電，兩者所帶電荷符號(hào)相反，電荷分布情況不同：在金屬中，自由電子密度很高，電荷基本上分布在一個(gè)原子層的厚度范圍之內(nèi)；在半導(dǎo)體中，由于自由載流子密度非常低，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)，這個(gè)帶電的表面層稱做空間電荷區(qū)；在空間電荷區(qū)內(nèi)，從表面到內(nèi)部，電場(chǎng)逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，場(chǎng)強(qiáng)減小到零。(一)空間電荷層二、空間電荷層與表面勢(shì)在金屬與半導(dǎo)體之間13空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)隨距離逐漸變化，使半導(dǎo)體表面相對(duì)體內(nèi)產(chǎn)生電勢(shì)差，能帶也發(fā)生彎曲。稱空間電荷層兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)(Vs)。表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，Vs取正值；反之Vs取負(fù)值。(二)表面勢(shì)空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)隨距離逐漸變化，使半導(dǎo)體表14基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況(以p型半導(dǎo)體為例)：(三)表面勢(shì)與空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG的變化基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況(以p151.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)電壓(金屬接負(fù))時(shí)，表面勢(shì)為負(fù)值，表面處能帶向上彎曲；在熱平衡情況下，半導(dǎo)體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)應(yīng)保持定值，故隨著向表面接近，價(jià)帶頂將逐漸移近、甚至高過(guò)費(fèi)米能級(jí)，同時(shí)價(jià)帶中空穴濃度也將隨之增加，導(dǎo)致表面層內(nèi)出現(xiàn)空穴的堆積而帶正電荷；越接近表面，空穴濃度越高，表明堆積的空穴分布在最靠近表面的薄層內(nèi)。1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)電壓(金屬接負(fù))時(shí)16半導(dǎo)體物理講義172.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間加正電壓(金屬接正)時(shí)，表面勢(shì)Vs為正值，表面處能帶向下彎曲；越接近表面，費(fèi)米能級(jí)離價(jià)帶頂越遠(yuǎn)，價(jià)帶中空穴濃度隨之降低，在靠近表面的一定區(qū)域內(nèi)，價(jià)帶頂位置比費(fèi)米能級(jí)低得多；根據(jù)玻耳茲曼分布，表面處空穴濃度比體內(nèi)空穴濃度低得多，表面層的負(fù)電荷基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度。表面層的這種狀態(tài)稱做耗盡。2.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間加正電壓(金屬接正18半導(dǎo)體物理講義193.少數(shù)載流子反型狀態(tài)當(dāng)加于金屬和半導(dǎo)體間的正電壓進(jìn)—步增大時(shí)，表面處能帶相對(duì)于體內(nèi)將進(jìn)一步向下彎曲；表面處費(fèi)米能級(jí)位置可能高于禁帶中央能量Ei，即費(fèi)米能級(jí)離導(dǎo)帶底比離價(jià)帶頂更近一些。這意味著表面處電子濃度將超過(guò)空穴濃度，即形成與原來(lái)半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的一層，叫做反型層；反型層發(fā)生在近表面處，從反型層到半導(dǎo)體內(nèi)部還夾著一層耗盡層。在這種情況下，半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)的負(fù)電荷由兩部分組成：耗盡層中已電離的受主負(fù)電荷；反型層中的電子，主要堆積在近表面區(qū)。3.少數(shù)載流子反型狀態(tài)當(dāng)加于金屬和半導(dǎo)體間的正電壓進(jìn)—步增20半導(dǎo)體物理講義214.n型半導(dǎo)體情形當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間加正電壓時(shí)，表面層內(nèi)形成多數(shù)載流子

電子的堆積；當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間加不太高的負(fù)電壓時(shí)，半導(dǎo)體表面內(nèi)形成耗盡層；當(dāng)負(fù)電壓進(jìn)一步增大時(shí)，表面層內(nèi)形成有少數(shù)載流子堆積的反型層。4.n型半導(dǎo)體情形當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間加正電壓時(shí)，表面層內(nèi)形成22三、表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)和電容可通過(guò)解泊松方程定量地求出表面層中電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的分布：取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)。以一維情況為例來(lái)處理。泊松方程總空間電荷密度半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)(一)表面電場(chǎng)分布三、表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)和電容可通過(guò)23半導(dǎo)體物理講義24半導(dǎo)體物理講義25標(biāo)志半導(dǎo)體空間電荷層性質(zhì)的重要參數(shù)標(biāo)志半導(dǎo)體空間電荷層性質(zhì)的重要參數(shù)26(二)表面電荷分布(三)表面電容(二)表面電荷分布(三)表面電容27(四)根據(jù)表面電場(chǎng)、電荷、電容公式定量分析各種表面層狀態(tài)1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)表面電荷隨表面勢(shì)絕對(duì)值的增大按指數(shù)增長(zhǎng)，即能帶在表面處向上彎曲的越厲害時(shí)，表面層的空穴濃度急劇地增長(zhǎng)(四)根據(jù)表面電場(chǎng)、電荷、電容公式定量分析各種表面層狀態(tài)128電荷在負(fù)值方向急劇地增加電荷在負(fù)值方向急劇地增加292.平帶狀態(tài)，表面處能帶不發(fā)生彎曲，稱為平帶狀態(tài)。MOS結(jié)構(gòu)的平帶電容(p型半導(dǎo)體)2.平帶狀態(tài)303.耗盡狀態(tài)3.耗盡狀態(tài)31對(duì)于耗盡狀態(tài)，也可用“耗盡層近似”來(lái)處理：相當(dāng)于距離為xd的平板電容器的單位面積電容對(duì)于耗盡狀態(tài)，也可用“耗盡層近似”來(lái)處理：324.反型狀態(tài)隨外加電壓增大，表面處禁帶中央能值Ei下降到EF以下時(shí)，就出現(xiàn)反型層?？煞譃槿醴葱秃蛷?qiáng)反型兩種情況。以表面處少子濃度ns是否超過(guò)體內(nèi)多子濃度pp0為標(biāo)志：根據(jù)玻耳茲曼方程統(tǒng)計(jì)得：(1)反型條件

4.反型狀態(tài)隨外加電壓增大，表面處禁帶中央33半導(dǎo)體物理講義34雜質(zhì)濃度越高，Vs越大，越不易達(dá)到反型、強(qiáng)反型雜質(zhì)濃度越高，Vs越大，越不易達(dá)到反型、強(qiáng)反型35(2)開啟電壓VT

使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)加在金屬電極上的柵電壓。即對(duì)應(yīng)于Vs=2VB時(shí)的柵電壓：(2)開啟電壓VT使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反36(3)反型狀態(tài)時(shí)的電場(chǎng)、電荷、電容和耗盡層寬度

臨界強(qiáng)反型時(shí)：強(qiáng)反型時(shí)：(3)反型狀態(tài)時(shí)的電場(chǎng)、電荷、電容和耗盡層寬度臨界強(qiáng)反37半導(dǎo)體物理講義38強(qiáng)反型后，表面耗盡層寬度達(dá)到極大值xdm，不再隨外加電壓增加而增大(因?yàn)榉葱蛯又蟹e累的電子屏蔽了外加電場(chǎng)的作用)。該極大值由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度確定：對(duì)一定的材料，摻雜濃度越大，xdm越小；摻雜濃度一定，對(duì)于禁帶寬度大的材料，ni越大，xdm越大。強(qiáng)反型后，表面耗盡層寬度達(dá)到極大值xdm，不395.深耗盡狀態(tài)前面的各種狀態(tài)都是空間電荷層的平衡狀態(tài)，即假設(shè)金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG不變，或者變化速率很慢以至表面空間電荷層中載流子濃度能跟上偏壓VG變化的狀態(tài)。深耗盡的非平衡狀態(tài)以p型半導(dǎo)體為例，如在金屬與半導(dǎo)體間加一脈沖階躍或高頻正弦波形成的正電壓：由于空間電荷層內(nèi)的少數(shù)載流子的產(chǎn)生速率趕不上電壓的變化，反型層來(lái)不與建立，只有靠耗盡層延伸向半導(dǎo)體內(nèi)深處而產(chǎn)生大量受主負(fù)電荷以滿足電中性條件；此時(shí)的耗盡層寬度很大，可遠(yuǎn)大于強(qiáng)反型的最大耗盡層寬度，且其寬度隨電壓VG幅度的增大而增大，這種狀態(tài)稱為深耗盡狀態(tài)；5.深耗盡狀態(tài)前面的各種狀態(tài)都是空間電荷層40該狀態(tài)是在實(shí)際中經(jīng)常遇到的一種較重要的狀態(tài)。例如，用電容-時(shí)間法測(cè)量襯底中少數(shù)載流子壽命，用非平衡電容-電壓法測(cè)量雜質(zhì)濃度分布剖面時(shí)，半導(dǎo)體表面就處于這種狀態(tài)；該狀態(tài)下“耗盡層近似”仍適用，故耗盡狀態(tài)下的公式仍適用：該狀態(tài)是在實(shí)際中經(jīng)常遇到的一種較重要的狀態(tài)。例41(2)從深耗盡狀態(tài)向平衡反型狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程

以p型襯底為例，設(shè)在金屬與半導(dǎo)體間加一大的陡變階躍正電壓：開始，表面層處于深耗盡狀態(tài)；由于深耗盡下耗盡層中少數(shù)載流子濃度近似為零，遠(yuǎn)低于其平衡濃度，故產(chǎn)生率大于復(fù)合率，耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在層內(nèi)電場(chǎng)作用下，電子向表面運(yùn)動(dòng)而形成反型層，空穴向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)耗盡層邊緣與帶負(fù)電荷的電離受主中和而使耗盡層減??；因此，隨著時(shí)間的推移，反型層中少數(shù)載流子的積累逐漸增加，而耗盡層寬度則逐漸減小，最后過(guò)渡到平衡的反型狀態(tài)；在這—過(guò)程中：(2)從深耗盡狀態(tài)向平衡反型狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程42耗盡層寬度從深耗盡狀態(tài)開始時(shí)的最大值逐漸減小到強(qiáng)反型的最大耗盡層寬度xdm；從初始的深耗盡狀態(tài)過(guò)渡到熱平衡反型層狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間用熱弛豫時(shí)間τth表示：一般情況下，該馳豫時(shí)間為1～102s，因此，反型層的建立不是很快的過(guò)程。耗盡層寬度從深耗盡狀態(tài)開始時(shí)的最大值逐漸減小到強(qiáng)反型的最大耗438.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性一、p型半導(dǎo)體理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)特性外加電壓VG后，其中的一部分降在絕緣層上V0，另一部分降在半導(dǎo)體表面層，形成表面勢(shì)Vs：金屬表面的面電荷密度絕緣層厚度MIS結(jié)構(gòu)電容8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性一、p型半導(dǎo)體理想MIS44因此，MIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體空間電荷層電容的串聯(lián)，如下圖所示：因此，MIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體45(一)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)(VG<0)當(dāng)|VG|較大時(shí)，C=C0，半導(dǎo)體從內(nèi)部到表面可視為是導(dǎo)通的，電荷聚集在絕緣層兩邊(AB段)；當(dāng)|VG|較小時(shí)，C/C0<1，隨|Vs|減小而減小(BC段)；(一)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)(VG<0)當(dāng)|VG|較大時(shí)，C46半導(dǎo)體物理講義47(二)平帶狀態(tài)(VG=0，Vs=0)絕緣層厚度一定時(shí)，NA越大，CFB/C0越大，原因是表面空間電荷層隨NA增大而減?。唤^緣層厚度越大，C0越小，CFB/C0越大。(二)平帶狀態(tài)(VG=0，Vs=0)絕緣層厚度一定時(shí)，NA48(三)耗盡狀態(tài)(VG>0)(三)耗盡狀態(tài)(VG>0)49該式表明，VG增大時(shí)，C/C0減小，原因是耗盡狀態(tài)下，表面空間電荷厚度xd隨VG增大而增大，xd越大，則Cs越小，C/C0越小(CD段)；該式表明，VG增大時(shí)，C/C0減小，原因是耗盡狀態(tài)50(四)強(qiáng)反型狀態(tài)(VG>0)1.低頻情況強(qiáng)反型出現(xiàn)后，大量電子聚集在半導(dǎo)體表面處，絕緣層兩邊堆積著電荷，如同只有絕緣層電容C0一樣(EF段)；(四)強(qiáng)反型狀態(tài)(VG>0)1.低頻情況強(qiáng)反型512.高頻情況少子電子的產(chǎn)生-復(fù)合跟不上高頻信號(hào)的變化，即反型層中電子的數(shù)量不隨高頻信號(hào)而變，對(duì)MIS電容沒(méi)有貢獻(xiàn)；耗盡層寬度達(dá)到最大值xdm，不隨偏壓VG變化，耗盡區(qū)貢獻(xiàn)的電容達(dá)到最小值且保持不變，C/C0將保持在最小值Cmin'/C0且不隨VG而變化(GH段)。2.高頻情況少子電子的產(chǎn)生-復(fù)合52上式表明，對(duì)同一種半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度一定時(shí)，Cmin'/C0為絕緣層厚度d0與襯底摻雜濃度NA的函數(shù)。當(dāng)d0也一定時(shí)，NA越大，Cmin'/C0越大；利用該理論可以測(cè)定半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度。半導(dǎo)體材料和絕緣層材料一定時(shí)，C-V特性隨絕緣層厚度d0與襯底摻雜濃度NA變化；C-V特性與頻率有關(guān)；溫度和光照等因素可增加載流子的復(fù)合和產(chǎn)生率，因此，在一定信號(hào)頻率下，這些因素可引起C-V特性從高頻型向低頻型過(guò)渡，影響其特性。總結(jié)上式表明，對(duì)同一種半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度一定時(shí)，Cmin'/C053二、n型半導(dǎo)體理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)特性二、n型半導(dǎo)體理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)特性54三、金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響p-三、金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響p-55p-Si表面層內(nèi)形成帶負(fù)電的空間電荷層在金屬表面產(chǎn)生正電荷p-Si表面層內(nèi)形成帶負(fù)電的空間電荷層在金屬表面產(chǎn)生正電荷56p-正負(fù)電荷在SiO2和Si表面層內(nèi)產(chǎn)生指向半導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)，同時(shí)能帶向下彎曲，產(chǎn)生接觸電勢(shì)差Ep-正負(fù)電荷在SiO2和Si表面層內(nèi)產(chǎn)生指向半導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)57由于金屬、半導(dǎo)體功函數(shù)的不同，雖然外加偏壓為零，但半導(dǎo)體表面層并不處于平帶狀態(tài).為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須在二者間加一定的負(fù)電壓，抵消二者功函數(shù)不同引起的電場(chǎng)和能帶彎曲；為了恢復(fù)平帶狀態(tài)所需加的電壓叫做平帶電壓：因此，理想MIS結(jié)構(gòu)的平帶點(diǎn)由VG=0處移到VG=VFB處，即由于金屬、半導(dǎo)體功函數(shù)的不因此，理想MIS結(jié)構(gòu)的平帶點(diǎn)由VG58理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線平行于電壓軸平移了一段距離VFB，在此，向左移動(dòng)了一段距離|VFB|。理想有功函數(shù)差理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線平行于電壓軸平移了一段59四、絕緣層中電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響四、絕緣層中電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響60這些電荷的存在分別在金屬表面和半導(dǎo)體表面層中感應(yīng)出相反符號(hào)的電荷，導(dǎo)致半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，能帶發(fā)生彎曲。即雖然未加電壓，但由于絕緣層內(nèi)電荷的作用，使半導(dǎo)體表面層離開平帶狀態(tài)。為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須在金屬板上加一定的偏壓。(一)絕緣層中存在一薄層正電荷(假定Wm=Ws)這些電荷的存在分別在金屬表面和半導(dǎo)61半導(dǎo)體物理講義62假設(shè)在絕緣層SiO2(厚度為d0)中距離金屬-SiO2界面x處有一層正電荷：金屬與薄層電荷間電場(chǎng)強(qiáng)度假設(shè)在絕緣層SiO2(厚度為d0)63當(dāng)絕緣層中的薄層電荷靠近金屬表面(x=0)時(shí)，VFB=0，即絕緣層中電荷位于金屬表面時(shí)，對(duì)C-V特性沒(méi)有影響；當(dāng)絕緣層中的薄層電荷越靠近半導(dǎo)體表面(x=xd，VFB有最大值)：對(duì)C-V特性影響越大。當(dāng)絕緣層中的薄層電荷靠近金屬表面(x=0)時(shí)，VFB=0，即64(二)絕緣層中正電荷有一定的體分布ρ(x)即VFB隨絕緣層中電荷分布情況的改變而改變。因此，如果絕緣層中存在某種可動(dòng)離子，當(dāng)它們?cè)诮^緣層中移動(dòng)時(shí)，其電荷分布將改變，則VFB也隨之改變。(二)絕緣層中正電荷有一定的體分布ρ(x)即VF65(三)功函數(shù)差與絕緣層中電荷兩種因素都存在-Vms(三)功函數(shù)差與絕緣層中電荷兩種因素都存在-Vms668.4硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)一、Si-SiO2系統(tǒng)中四種基本類型的電荷或能量狀態(tài)主要是帶正電的離子：Na+、K+、H+等。在一定溫度和偏壓條件下，可在SiO2層中遷移，對(duì)器件的穩(wěn)定性影響最大;(一)SiO2層中的可動(dòng)離子位于Si-SiO2界面附近20nm的范圍內(nèi)，不能在SiO2中遷移;(二)SiO2層中的固定電荷Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶；在很短的時(shí)間內(nèi)與襯底半導(dǎo)體交換電荷，故又稱快界面態(tài)；(三)界面態(tài)8.4硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)一、Si-SiO2系統(tǒng)中四種67由于各種輻射，如x射線、γ射線、電子射線等引起。(四)SiO2層中的電離陷阱電荷可動(dòng)離子電離陷阱界面態(tài)固定表面電荷由于各種輻射，如x射線、γ射68二、SiO2中的可動(dòng)離子主要是帶正電的離子：Na+(最主要、對(duì)器件穩(wěn)定性影響最大)、K+、H+等。Na+來(lái)源：所使用的化學(xué)試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體沾污等。(一)Na+易于在SiO2中遷移由SiO2的結(jié)構(gòu)和Na+在其中的遷移性質(zhì)決定。1.SiO2的結(jié)構(gòu)近程有序的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)：用熱氧化或化學(xué)汽相淀積法在硅表面生長(zhǎng)的二氧化硅薄膜呈無(wú)定形玻璃狀結(jié)構(gòu)；該網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的基本單元是由硅、氧原子組成的四面體，硅原子居于中心，氧原子位于四個(gè)角頂；兩個(gè)相鄰的四面二、SiO2中的可動(dòng)離子主要是帶正電的離子：69半導(dǎo)體物理講義70體通過(guò)一個(gè)橋鍵的氧原子連接起來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，如下圖所示；外來(lái)雜質(zhì)分兩種類型：替位式雜質(zhì)：常以替位的形式居于四面體的中心，如磷、硼等；間隙式雜質(zhì)：存在于網(wǎng)絡(luò)間隙之中，如鈉、鉀等大離子。它們可使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變形。這種鈉離了存在于四面體之間，易于攝取四面體中的一個(gè)橋鍵氧原子，形成一個(gè)金屬氧化物，從而將一個(gè)橋鍵氧原子轉(zhuǎn)化成一個(gè)非橋鍵氧原子，削弱或破壞了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使二氧化硅呈現(xiàn)多孔性，導(dǎo)致雜質(zhì)原子易于在其中遷移或擴(kuò)散。體通過(guò)一個(gè)橋鍵的氧原子連接起來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，如712.Na+在SiO2中的遷移性質(zhì)雜質(zhì)在SiO2中擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)為：B、P、Na值分別為:3×10-6cm2/s1.0×10-8cm2/s5.0cm2/s雜質(zhì)激活能因此，Na的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于其它雜質(zhì)。擴(kuò)散系數(shù)與遷移率成正比，故Na+在SiO2中的遷移率也特別大。2.Na+在SiO2中的遷移性質(zhì)雜質(zhì)在Si72(二)Na+的漂移對(duì)MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響

MOS結(jié)構(gòu)：Al-SiO2-Si(二)Na+的漂移對(duì)MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響73曲線1為原始C-V特性曲線：即初始情況，Na+聚集在Al與SiO2間。對(duì)C-V特性沒(méi)有影響；曲線2是加正10V偏壓，在127℃下退火30min后測(cè)得的C-V特性曲線。此時(shí)，Na+移到靠近半導(dǎo)體表面處，對(duì)C-V特性影響最大，使曲線向左移動(dòng)；曲線3是加負(fù)10V偏壓，在127℃下退火30min后測(cè)得的C-V特性曲線。此時(shí)，Na+又移到靠近Al與SiO2交界處，但在SiO2中保留了一些殘余的Na+，因此C-V特性不能完全恢復(fù)到原始情形，而只是部分地被恢復(fù)；這種實(shí)驗(yàn)一般稱為溫度-偏壓實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)稱B-T實(shí)驗(yàn)；B-T實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用：可測(cè)量MOS工藝中Na+沾污的程度；可檢查各種降低Na+沾污措施的效果，其方法如下：曲線1為原始C-V特性曲線：即初始情況，Na+聚集在Al與S74求出曲線1、曲線2平帶電壓之差ΔVFB，由下式計(jì)算SiO2中單位面積的Na+電荷量：SiO2層單位面積的電容故可得單位面積的Na+數(shù)為：求出曲線1、曲線2平帶電壓之差ΔVFB，由下式計(jì)算75三、SiO2中的固定表面電荷電荷面密度(Qfc)是固定的，即電荷不能進(jìn)行充放電；位于Si-SiO2界面的20nm范圍以內(nèi)；Qfc不明顯地受氧化層厚度或Si中雜質(zhì)類型與濃度的影響；Qfc與氧化和退火條件，Si晶體的取向有顯著的關(guān)系；晶體取向的影響：分別為[111]、[110]、[100]方向的Si表面的Qfc之比為3:2:1；該結(jié)果有助于分析固定表面電荷的起因。目前一致認(rèn)為，在Si-SiO2界面附近存在過(guò)剩硅離子是固定表面正電荷產(chǎn)生的原因。(一)特征三、SiO2中的固定表面電荷電荷面密度(Qfc)是固定的，即76(二)固定表面正電荷對(duì)MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響引起半導(dǎo)體表面層能帶向下彎曲，故需加一負(fù)偏壓恢復(fù)平帶情況。(二)固定表面正電荷對(duì)MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響77若氧化層厚度遠(yuǎn)大于20nm，可近似地認(rèn)為這些電荷分布在界面處，故平帶電壓為：考慮功函數(shù)差單位面積固定電荷數(shù)目若氧化層厚度遠(yuǎn)大于20nm，可近似地認(rèn)為這些78四、在Si-SiO2界面處的快界面態(tài)在Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶。稱為快界面態(tài)的原因：在很短的時(shí)間內(nèi)與襯底半導(dǎo)體交換電荷；用來(lái)區(qū)別由吸附于SiO2外表面的分子、原子等引起的外表面態(tài)(它們位于空氣和氧化物的界面上，與半導(dǎo)體交換電荷時(shí)，電子必須穿過(guò)絕緣的氧化層，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)行電荷交換，故稱其為“慢態(tài)”)。界面態(tài)分為兩種：若能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電性，稱為施主型表面態(tài)；若能級(jí)空著時(shí)呈電中性，接受電子后呈負(fù)電性，稱為受主型表面態(tài)；四、在Si-SiO2界面處的快界面態(tài)在Si-S79(一)界面態(tài)的分布函數(shù)1.電子占據(jù)施主界面態(tài)的分布函數(shù)施主界面態(tài)能值基態(tài)簡(jiǎn)并度等于2(一)界面態(tài)的分布函數(shù)1.電子占據(jù)施主界面態(tài)的分布函數(shù)施80單位面積上的界面態(tài)數(shù)若界面能值為EsD，則單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為：?jiǎn)挝幻娣e上的界面態(tài)數(shù)若界面能值為EsD，則單81若界面態(tài)能級(jí)在禁帶中連續(xù)分布，在能值E處單位能量間隔內(nèi)單位面積上的界面態(tài)數(shù)為Nss(E)，則單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為：若界面態(tài)能級(jí)在禁帶中連續(xù)分布，在能值822.電子占據(jù)受主界面態(tài)的分布函數(shù)受主界面態(tài)能值基態(tài)簡(jiǎn)并度等于4受主界面態(tài)中的空穴數(shù)的計(jì)算方法同上。2.電子占據(jù)受主界面態(tài)的分布函數(shù)受主界面基態(tài)簡(jiǎn)并83(二)界面態(tài)電荷隨外加偏壓VG的變化由于某些原因(如溫度的變化，外加偏壓的變化)使半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于界面態(tài)能級(jí)的位置變化時(shí)，界面態(tài)上電子填充的概率將隨之變化，因而界面態(tài)電荷也發(fā)生變化。以外加偏、壓VG變化的情形來(lái)說(shuō)明。當(dāng)外加偏壓VG變化時(shí)，由于能帶彎曲程度隨之變比，引起EF相對(duì)于界面態(tài)能級(jí)的位置發(fā)生變化。以p型硅為例：VG<0時(shí)，表面層能帶向上彎曲，表面處的施主和受主界面態(tài)能級(jí)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng)：當(dāng)靠近價(jià)帶的施主態(tài)的位置移動(dòng)到EF以上時(shí)，大部分施主態(tài)未被電子占據(jù)，將顯示正電性，因此出現(xiàn)正的界面態(tài)附加電荷；該正電荷將補(bǔ)償部分金屬電極上負(fù)電荷的作用，削弱表面(二)界面態(tài)電荷隨外加偏壓VG的變化由于某84半導(dǎo)體物理講義85層中能帶的彎曲與空穴的堆積；VG>0時(shí)，表面層能帶向下彎曲(如下圖)，表面處的施主和受主界面態(tài)能級(jí)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)：當(dāng)靠近導(dǎo)帶的受主態(tài)向下移動(dòng)到EF處時(shí)，由于電子占據(jù)受主界面態(tài)，表面出現(xiàn)負(fù)的界面態(tài)附加電荷；該負(fù)電荷也是削弱能帶彎曲程度和表面層中的負(fù)電荷；隨VG變化，界面態(tài)中的電荷隨之改變，即界面態(tài)發(fā)生充放電效應(yīng)。層中能帶的彎曲與空穴的堆積；86半導(dǎo)體物理講義87(三)界面態(tài)密度在禁帶中呈“U”形連續(xù)分布在禁帶中部，界面態(tài)密度較低；在靠近導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂處，界面態(tài)密度迅速增加，不再下降。(三)界面態(tài)密度在禁帶中呈“U”形連續(xù)分布88(四)界面態(tài)密度隨晶體取向而變化對(duì)于硅晶體，界面態(tài)密度由大到小排列的晶面依次為(111)、(110)、(100)晶面，故在制造MOS器件時(shí)，為了減少固定表面電荷和界面態(tài)的影響，常選用(100)晶向硅單晶。(四)界面態(tài)密度隨晶體取向而變化對(duì)于硅晶體，89未飽和的懸掛鍵；由于表面存在晶體缺陷、微氧化膜，或附著其它分子和原子等原因可引入表面態(tài)；退火可有效地降低界面態(tài)密度。(五)界面態(tài)的起源未飽和的懸掛鍵；(五)界面態(tài)的起源90在Si-SiO2界面附近，存在一些載流子陷阱，由于輻照等原因，可在其中感應(yīng)出空間電荷：當(dāng)x射線、γ射線、電子射線等能產(chǎn)生電離的輻射線通過(guò)氧化層時(shí)，可在SiO2中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；如果氧化物中沒(méi)有電場(chǎng)，電子和空穴將復(fù)合掉，不會(huì)產(chǎn)生凈電荷；如果氧化層中存在電場(chǎng)，如存在由正柵壓引起的電場(chǎng)時(shí)，電子在SiO2中移動(dòng)而被拉向柵極；空穴在SiO2中很難移動(dòng)，可能陷入陷阱中。這些被陷阱捕獲的空穴表現(xiàn)為正的空間電荷；該電荷在300℃以上進(jìn)行退火可很快地消去。五、SiO2中的陷阱電荷在Si-SiO