1、第八章、半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu),本章討論表面特性和另一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，MIS結(jié)構(gòu)。以及表面電場、電容特性。 目的：？,2010年12月23日星期四,第*1頁,主要內(nèi)容：,表面態(tài) MOS (MIS)結(jié)構(gòu)概述 表面電場效應(yīng)和MOS電容,2010年12月23日星期四,第*2頁,14.（20分）一P型半導(dǎo)體材料的理想結(jié)構(gòu)，分別畫出半導(dǎo)體表面出現(xiàn)積累、平帶、耗盡、反型和強(qiáng)反型時能帶圖和費(fèi)米能級，并給出每一狀態(tài)對應(yīng)的表面勢條件。要減小強(qiáng)反型時空間電荷區(qū)的寬度，應(yīng)如何選擇半導(dǎo)體一側(cè)的摻雜濃度，解釋之。(2007) 6、MOS結(jié)構(gòu)電容的主要構(gòu)成是什么？(2006),2010年12月23日星期四,第*3頁, 8.

2、1表面態(tài) 理想表面：表面層中原子排列的對稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無限大晶體表面。 表面態(tài)：晶體自由表面的存在使其周期場在表面處發(fā)生中斷，引起附加能級，稱為表面能級，或表面態(tài)。也叫做Tamm能級。 理想硅表面的面密度值與原子密度相同，為1015cm-3。,2010年12月23日星期四,第*4頁,實際表面受到多種因素的影響： 1、表面層中，離子實受到的勢場作用不同于晶體內(nèi)部，使晶體所固有的三維平移性受到破壞，表面發(fā)生再構(gòu)現(xiàn)象。 2、表面粘污。 3、表面氧化。對于硅來說，產(chǎn)生SiO2。 產(chǎn)生SiO2后，硅表面的懸掛健大部分被SiO2所飽和，表面態(tài)密度大大降低，但并不會

3、降到零。 8.2 MOS (MIS)結(jié)構(gòu)概述 MOS器件具有易于驅(qū)動，是壓控器件，控制MOS器件工作，只需提供電壓，不需要太大電流，也就是不需要太大功率。 MOS結(jié)構(gòu)：是金屬(Metal)、氧化物(Oxide)、半導(dǎo)體(Semiconductor)三層構(gòu)成，MOS是三層物質(zhì)字頭的縮寫。 一、MOS的工藝過程簡介,2010年12月23日星期四,第*5頁,2010年12月23日星期四,第*6頁,一般將硅片稱為襯底，金屬層稱為柵，生成氧代層的過程稱為柵氧化。 在硅的熱氧化過程中，氧原子是通過擴(kuò)散，穿過已生成的SiO2層達(dá)到SiO2 -Si界面繼續(xù)和Si反應(yīng)，所以Si- SiO2界面不是絕對的斷然分開

4、，而是存在著10左右的過渡層，在過渡層中SiOx的配比x在12之間，是非理想的。 二、Si- SiO2系統(tǒng)的性質(zhì) 實驗發(fā)現(xiàn)，在Si- SiO2系統(tǒng)中，存在著多種形式的電荷和能量狀態(tài)，一般可規(guī)納為四種基本類型： 1. 固定電荷Qf 主要存在于Si- SiO2界面附近，一般為正電荷，在外電場的作用下，這些電荷不會移動。固定電荷主要起源于Si- SiO2界面附近過剩的硅離子,提高氧化溫度以及適當(dāng)?shù)耐嘶鸲伎梢越档蚎f值。,2010年12月23日星期四,第*7頁,2.可動電荷Qm 主要分布在SiO2層中，一般為半徑比較小的帶正電的堿金屬離子(Na+、K+、H+)，最常見的是Na+離子，它在SiO2中擴(kuò)散

5、系數(shù)和遷移率都比較大，在外電場作用下會在SiO2中移動。 Na+離子來源于化學(xué)試劑、 玻璃器皿、爐管、石英舟、 人體沾污等。采用含Cl的 氧化工藝，可以使SiO2層中 可動離子的含量降低。,2010年12月23日星期四,第*8頁,3.界面態(tài)電荷(界面陷阱電荷) Qit 界面陷阱是指界面態(tài)，指存在于Si-SiO2 界面處(距Si 表面35以內(nèi))能量位于禁帶中的電子態(tài)。界面態(tài)有點(diǎn)類似于表面態(tài)，在過渡區(qū)中，結(jié)構(gòu)為SiOx，是非理想化學(xué)配比，出現(xiàn)一些未飽和的懸掛鍵，它們可與體內(nèi)交換電子：可以得到電子，成為負(fù)電中心，起受主作用；亦可失去電子，成為正電中心，起施主作用；與懸掛鍵對應(yīng)的界面能級是禁帶中的一些

6、受主表面能級和施主表面能級，這類界面態(tài)稱為本征界面態(tài)；還有一類界面態(tài)是由界面處的雜質(zhì)離子以及各種缺陷引起的，稱為非本征界面態(tài)。 當(dāng)施主界面態(tài)或受主界面態(tài)由于和體內(nèi)交換電子而電離時，便產(chǎn)生了界面態(tài)電荷Qit。減少界面態(tài)的方法是在形成氣體( 90%N2+10%H2 )中退火，用氫來飽和懸掛鍵。,2010年12月23日星期四,第*9頁,4. 氧化層陷阱電荷Qot 在SiO2層中，存在一些電子和空穴陷 阱，它們與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)。 由于x射線或射線的輻射、或是在 氧化層中發(fā)生了雪崩擊穿，都會在 SiO2層中產(chǎn)生電子-空穴對，如果氧 化層中沒有電場，電子和空穴將復(fù) 合掉，不會產(chǎn)生凈電荷，氧化層中存 在電場

7、時，由于電子可以在SiO2中 移動，可以移動到電極上，而空穴在 SiO2 中很難移動，可能陷于這些陷 阱中，成為正的陷阱電荷。輻照感應(yīng) 的空間電荷通過在300 以上進(jìn)行退 火，可以很快消去。,2010年12月23日星期四,第*10頁,8.3 表面電場效應(yīng)和MOS電容 一、表面電場效應(yīng) 理想MOS結(jié)構(gòu) 功函數(shù)(Work function)：為費(fèi)米能級到真空能級的差。 親和勢(affinity)：半導(dǎo)體導(dǎo)帶底到真空能級的差. 理想MOS結(jié)構(gòu)滿足以下條件： 金屬與半導(dǎo)體之間功函數(shù)差為0； 在SiO2層中沒有任何電荷并且完全不導(dǎo)電； Si-SiO2界面處不存在任何界面態(tài)。,2010年12月23日星期四

8、,第*11頁,電場作用下的理想MOS結(jié)構(gòu) 當(dāng)理想MOS結(jié)構(gòu)的柵壓為0時 SiO2層兩側(cè)也沒有電荷； 半導(dǎo)體的能帶是平直的， 空間沿x軸方向沒有電位差， 如圖所示，其中EC、EV 分別為SiO2的導(dǎo)帶底和價 帶頂；,2010年12月23日星期四,第*12頁,金屬一側(cè)加正電壓，柵壓Vg0時： 1.SiO2層兩側(cè)有電荷積累 柵壓Vg0時，則產(chǎn)生一個由金屬指向半導(dǎo)體的電場，SiO2是絕緣層，不能提供電荷來屏蔽這個電場，于是電場將深入到半導(dǎo)體表面，在半導(dǎo)體表面感生一個負(fù)電荷的空間電荷層，以屏蔽金屬極板上的正電荷。 由于半導(dǎo)體中的載流子濃度比金屬中的電子濃度低得多，因此這層感生電荷具有一定的厚度，通常稱之

9、為表面空間電荷層，而稱感生電荷為表面空間電荷，將其厚度記為dsc，電荷量記作Qsc,2010年12月23日星期四,第*13頁,2.空間電荷層內(nèi)的能帶發(fā)生彎曲： 加偏壓的MOS結(jié)構(gòu)，有統(tǒng)一的費(fèi)米能級，在空間電荷層內(nèi)，電場是逐漸被屏蔽的，x=0處電場最強(qiáng)，x= dsc 處電場減小到零； 與此相應(yīng)，空間電荷層內(nèi)的電勢也隨之變化，半導(dǎo)體表面與體內(nèi)的電勢差稱為表面勢，記為Vs (Vs=V(x=0)-V(x=dsc) 這樣整個柵壓Vg,一部分落在了氧化層上稱為Vi(Vi=V(x=-di)-V(x=0)，一部分落在了半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)上，即Vs, 于是有：Vg=Vi+Vs,2010年12月23日星期四,第

10、*14頁,3.MOS電容 存在柵壓時，MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面感生出和金屬柵極上等量的異號電荷；當(dāng)柵壓變化時，SiO2層兩側(cè)異號電荷的數(shù)量發(fā)生相應(yīng)的變化，這是一個電容效應(yīng)。 理想MOS結(jié)構(gòu)的電容由兩部分組成，SiO2層電容Ci和半導(dǎo)體表面空間電荷層電容Cs：,2010年12月23日星期四,第*15頁,從上述的定義看到，所說的MOS電容實際上是一個微分電容，其測量是在一直流偏壓的基礎(chǔ)上，疊加一個交流小信號電壓，根據(jù)測出的電流算出電容量。 當(dāng)直流偏壓的極性和大小發(fā)生改變時，MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體的表面勢及空間電荷的大小和種類都發(fā)生改變，根據(jù)半導(dǎo)體表面荷電狀態(tài)的不同，可以分為積累、平帶、耗盡和反型四種情況

11、。,2010年12月23日星期四,第*16頁,二、半導(dǎo)體表面為多子積累(accumulative)的情形 多子積累對應(yīng)于： 襯底為P型材料構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)(n-MOS)Vg0； 以P型材料構(gòu)成的n-MOS結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行介紹 1.能帶圖和表面電荷 當(dāng)柵壓Vg0時，Vs0，引起半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲：越接近表面，價帶頂 離EF 越遠(yuǎn)，價帶中空穴濃度越低； 根據(jù)波爾茲曼分布，表面處的空穴濃度 比體內(nèi)要低得多，可以認(rèn)為基本上耗盡 了，這樣，由于空穴的耗盡而使表面層 內(nèi)受主離子得不到中和而帶負(fù)電，電荷 量等于金屬柵極表面的正電荷量。,2010年12月23日星期四,第*20頁,2.多子耗盡時的MOS電容 在

12、正的直流偏壓Vg0 作用下, 半導(dǎo)體表面為多子耗盡，電荷為帶負(fù)電的受主離子，電量為Qsc，寬度為dsc； 此時，若加上交流小信號，則隨著 小信號的變大變小，耗盡層也相應(yīng) 展寬縮小，此時的充、放電在金屬 表面和耗盡層邊界進(jìn)行，所以，電 容為一個厚度為di 的氧化層電容和 一個厚度為dsc 的空間電荷區(qū)電容的 串聯(lián)，即00i/di 與00i/dsc 的串聯(lián)。 直流偏壓Vg Vs dsc Cs Cs與Ci串聯(lián)后的MOS電容C ,2010年12月23日星期四,第*21頁,1.能帶圖和表面電荷 當(dāng)柵壓進(jìn)一步增大時Vg 0 ，Vs進(jìn)一步升高，表面處能帶進(jìn)一步向下彎，以至于出現(xiàn):導(dǎo)帶底離EF 比價帶頂離EF

13、 更近，即，在表面處的電子濃度已超過空穴濃度，即在表面處電子成為多子，表面附近的P型區(qū)變成了以電子導(dǎo)電為主的N型層，所以稱其為反型層。,五、半導(dǎo)體表面反型的情形 表面反型(inversin)對應(yīng)于： 襯底為P型材料構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)(n-MOS)，Vg 0； 襯底為N型材料構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)(p-MOS)，Vg106Hz)，反型層中少子的產(chǎn)生過程無法跟得上外柵壓Vg變化，反型層就得不到電子，濃度的變化也就無法跟上外電壓Vg變化，這時充、放電的空穴電流就是使得空間耗盡區(qū)的寬度不斷地變化，也就是說，此時充放電在金屬柵板上和耗盡區(qū)邊界dscmax附近進(jìn)行，那么，顯然高頻交流小信號測得的電容應(yīng)該是氧化層電容Ci與半導(dǎo)體表面電容Csmin的串聯(lián),2010年12月23日星期四,第*32頁,2010年12月23日星期四,第*33頁,總結(jié)起來，在不同的直流柵偏壓Vg下，P型半導(dǎo)體構(gòu)成的n-MOS結(jié)構(gòu)的微分電容，即C-V 特性，如下圖所示； 類似的分析可以得到N型半導(dǎo)體構(gòu)成的p-MOS結(jié)構(gòu)的C-V 特性,2010年12月23日星期四,第*34頁,作業(yè)： 1、什么是理想MOS結(jié)構(gòu)？什么是n-MOS