半導體表面與MIS結構

硅-二氧化硅系統性質

1.二氧化硅中的可動離子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在硅——二氧化硅系統中，存在著多種形式的電荷或能量狀態(tài)：（1）二氧化硅中的可動離子二氧化硅中的可動離子有Na、K、H等，其中最常見的是Na離子，對器件穩(wěn)定性影響最大。二氧化硅結構的基本單元是一個由硅氧原子組成的四面體，呈無規(guī)則排列的多孔網絡結構，從而導致Na離子易于在二氧化硅中遷移或擴散。外來雜質的主要類型：一種是替位型，如磷硼等另一種是間隙型，等如鈉，鉀一般雜質在二氧化硅中擴散時的擴散系數具有以下形式作偏壓–溫度（B-T）實驗，可以測量二氧化硅中單位面積上的Na離子電荷量：單位面積鈉離子電荷數：降低堿金屬離子影響的工藝方法：

(a)磷穩(wěn)定化

(b)氯中性化二氧化硅層中固定電荷有如下特征

電荷面密度是固定的，不隨偏壓而變化；這些電荷位于Si-SiO2界面200?范圍以內固定表面電荷面密度的數值不明顯地受氧化層厚度或硅中雜質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系（2）二氧化硅中的固定表面電荷一般認為固定正電荷的實質是過剩硅離子

這些電荷出現在Si-SiO2界面200?范圍以內，這個區(qū)域是SiO2與硅結合的地方，極易出現SiO2層中的缺陷及氧化不充分而缺氧，產生過剩的硅離子實驗證明，若在硅晶體取向分別為[111]、[110]和[100]三個方向生長SiO2時，他們的硅–二氧化硅結構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系統界面處，在450度進行退火，發(fā)現固定表面電荷密度有所下降將MOS結構加負偏壓進行B-T實驗，當溫度高到一定程度（如350度）時，固定的表面電荷密度有所增加。固定電荷引起的電壓漂移：功函數差與固定電荷引起的電壓漂移：則單位面積的固定電荷數目為：（3）硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)

快界面態(tài)：與表面態(tài)類似，指未被飽和的懸掛鍵，位于硅-二氧化硅界面處，形成表面能級，可以快速與半導體的導帶或價帶交換電荷。之所以稱為快界面態(tài)是為了與二氧化硅外表面未飽和鍵以及吸附的分子、原子等所引起的表面態(tài)區(qū)別開。界面態(tài)分類：一般分為施主（能級被電子占據時呈電中性，施放電子后呈正電性）和受主（能級空時為電中性，接受電子后帶負電）兩種

電子占據施主截面態(tài)的分布函數為

單位面積上界面態(tài)上的電子數目為

積分后得對于受主界面態(tài)，分布函數為：

來源：硅表面處晶體周期被破壞及界面處硅價鍵被全氧化，硅表面的晶格缺陷和損傷，界面處雜質面密度：隨晶體取向而改變,按（100）<（110）<（111）順序增加

消除：退火可以有效的降低界面態(tài)密度（4）二氧化硅中的陷阱電荷氧化層受到高能磁輻射時，可以在氧化層中產生電子－空穴對。在偏壓作用下，電子－空穴對中的電子容易運動，而漂向電極?？昭▌t被陷阱所陷，在氧化層中形成正電荷，這就是陷阱電荷。使C-V特性平移，平帶電壓為負值。在300度以上進行退火，可以很快消除?！?.5表面電導及遷移率Surfaceconductivityandmobility（1）表面電導

表面薄層附加電導—表面勢Vs變化引起的平行于表面方向電導的改變量。用方塊電導表示。表面薄層電導：（2）表面載流子有效遷移率（表面遷移率）表面有效遷移率—載流子在表面層中的平均遷移率。表面遷移率的特點：載流子的有效遷移率與表面電荷密度有關。表面遷移率的數值比相應的體內遷移率約低一半。原因：鏡反射和漫散射§8.6表面電場對p-n結特性的影響EffectofSurfacefieldforp-njunctioncharacteristic（1）表面電場作用下的p-n結能帶柵控二極管結構示意圖P區(qū)SiO2層柵電極（金屬層）VIVGN+區(qū)VI=0（p-n結處于平衡態(tài)）①VG=0時

p-n結能帶變化由n區(qū)和p區(qū)之間的自建電壓所決定。②VG>0時

開啟電壓VT

場感應結感應結最大耗盡層寬度柵控二極管結構示意圖P區(qū)N+區(qū)SiO2層柵電極（金屬層）VIVGVD為p-n結內建電勢當Vs~2VB(VG=VT)時，若忽略x方向電勢降qVs~2qVB~VDVI=VR<0（p-n結處于反偏狀態(tài)）①VG=0時②VG>0時

開啟電壓VT

感應結最大耗盡層寬度柵控二極管結構示意圖P區(qū)N+區(qū)SiO2層柵電極（金屬層）VIVGVG=0P-n反偏下，結兩端電勢差VD+VI更不利于p區(qū)表面反型層電子的生成，需加大VG電壓VT’=2VB+VR~VD+VR開始發(fā)生強反型時的表面勢Vs可近似表示為：

Vs=VR+2VB化簡積分后求得：其中耗盡層的最大寬度

表面電場對反向電流的影響主要體現在以下兩個方面：①表面電場產生的感應結擴大了p-n結空間電荷區(qū)，導致硅材料p-n結空間電荷區(qū)中產生電流增大，引起反向電流增加。②表面電場使得半導體表面被耗盡時，硅和二氧化硅界面處的界面態(tài)引起總產生電流增加。正常P-n結的反偏電流：為空間電荷區(qū)域的激發(fā)復合電流而表面電場作用下，處此之外亦有表面反型層電子所形成的電流（2）表面電場作用下p-n結的反向電流單位體積耗盡區(qū)的載流子產生率：場感應結耗盡層區(qū)的產生電流：冶金結耗盡層區(qū)的產生電流：當表面耗盡而未反型時表面耗盡區(qū)貢獻的產生電流：帶入上式得：對完全耗盡層帶入得（3）表面電場對p-n結擊穿特性的影響當柵極電壓使襯底表面反型時，將存在一個和冶金結并聯的場感應結對于理想MIS結構，只考慮VG電壓帶來的影響VRVGVG導致的寄生場感應結n+p+，其I-V特性受VG影響顯著,容易產生齊納擊穿在高雜質濃度情況時，擊穿機構是齊納擊穿（4）表面鈍化對于實際情況，除了柵極電壓形成表面電場以外，存在8.4中介紹的（1）半導體與二氧化硅界面吸附的各種帶電粒子（2）半導體表面氧化層中的可動離子（3）半導體表面氧化層中的固定電荷（4）半導體表面氧化層中的陷阱電荷都對半導體個表面特性產生重大影響。若氧化層中電荷過大，導致p-n結擊穿特性不好而出現低擊穿為了提高器件性能，除去不穩(wěn)定性，發(fā)明種種技術來穩(wěn)定表面性質，這一過程稱為表面鈍化