1、半導體表面與MIS結構,半導體的表面結構 表面的電場效應 MIS的電壓電容特性 真實的Si-SiO2系統(tǒng)性質 表面電導和遷移率,半導體器件的特性一般都和半導體的表面性質密切相關, 其表面效應支配著半導體器件的特性。,2,1 半導體的表面結構,表面的概念 晶體的周期性結構在表面中斷，破壞了三維結構的對稱性，會構成表面的特殊結構和性質; 理想表面就是指表面居中原子排列的對稱性與體內原子完全相同，且表面上不附著任何原子成分子的半無限晶體表面。因晶格在表面處突然終止，在表面外層的每個原子將有一個未配對的電子，即有一個未飽和的鍵，這個鍵稱作懸掛鍵，與之對應的電子能態(tài)就是表面態(tài)；,3,1 半導體的表面結構

2、,表面的概念 表面有大量的原子鍵被斷開而需要大量的能量，形成表面能； 為降低表面能，表面和近表面的原子層間距發(fā)生變化而出現(xiàn)表面弛豫現(xiàn)象； 表面的原子會重新組合，形成新鍵，從而改變表面原子的結構對稱性，出現(xiàn)所謂的表面再構現(xiàn)象，降低懸掛鍵密度；,4,潔凈理想表面實際上是不存在，表面上會形成一層單原子層(一般主要由氧原子組成)，在表面上覆蓋了一層二氧化硅層，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)密度就大大降低；,由于不可避免的客觀原因，表面會吸附其它原子和分子， 并對表面性質產生顯著影響。,5,由于懸掛鍵的存在，表面可與體內交換電子和空穴。例如，n型硅懸掛鍵可以從體內獲得電子，使表

3、面帶負電。這負的表面電荷可排斥表面層中電子使之成為耗盡層甚至變?yōu)閜型反型層。 表面能級由兩組，組為施主能級(帶電子為中性，失去電子帶正電荷)，靠近價帶，另一組為受主能級（不帶電子為中性，得到電子帶負電），靠近導帶。 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)的特點是，其數值與表面經過的處理方法有關。,6,理想表面的電子態(tài) 討論理想表面就是指表面居中原子排列的對稱性與體內原子完全相同，且表面上不附著任何原子成分子的半無限晶體表面情形,固體物理理想的清潔表面,7,8,波函數有限,9,波函數及其一階導數在x=0處滿足連續(xù)條件,10,波函數及其一階導數在x=0處滿足連續(xù)條件,當k

4、為實數時,能滿足有限條件,兩個方程解三個未知數,解總是 存在的,這些解對應能帶的允帶. -說明在一維無限周期場中電子狀態(tài)在半無限周期場中仍能 實現(xiàn).,考察,11,當k為復數時,令,同樣考察,都為實數,12,對于一維無限周期,x趨向正無窮大和負無窮大時候,不能滿足 波函數有限的邊界條件,因此k不能取復數.,對半無限周期,考慮x趨向負無窮大時,波函數為零,所以A1=0,取負值，滿足邊界條件，故有解,13,上兩式存在A2和A的非零接解條件是系數行列式等于0,因此 可以求出,電子能量E必須取實數,一般為復數。,14,以上說明，存在k取復數的電子狀態(tài)存在，它們存在于x=0附近,這些被局域在表面附近的能級

5、就是表面能級。,15,2 表面電場效應,一般概念 討論在熱平衡情況的表面電場效應，以及外加電場作用下半導體表面層內現(xiàn)象。 表面電場產生的原因：功函數不同的金屬和半導體接觸，或半導體表面外吸附某種帶電離子等。 表面電場效應的研究方法： MIS結構,16,VG=0時,理想MIS結構的能帶圖,Ev1,Ec1,Ei,Ev,Ec,EFs,EFm,理想的MIS結構： 1）金屬與半導體間功函數差為零； 2）在絕緣層內沒有任何電荷且絕緣層完全不導電； 3）絕緣體與半導體界面處不存在任何界面態(tài)。,17,空間電荷層及表面勢的概念 MIS結構相當于一個電容，在金屬與半導體之間加電壓后，在金屬與半導體相對的兩個面上就

6、要被充電。兩者所帶電荷符號相反，但電荷分布情況不同。 金屬中自由電子密度很高，電荷基本上分布在一個原子層的厚度范圍之內；在半導體中自由載流子密度要低得多，電荷分布在一定厚度的表面層內，這個帶電的表面層稱做空間電荷區(qū)。,18,空間電荷層及表面勢的概念 空間電荷區(qū)內從表面到內部電場逐漸減弱，到另端減小到零?？臻g電荷區(qū)內的電勢隨距離逐漸變化。半導體表面相對體內存在電勢差，能帶發(fā)生彎曲。常稱空間電荷層兩端的電勢差為表面勢（VS表示）。 規(guī)定表面電勢比內部高時取正值，反之取負值。表面勢及空間電荷區(qū)內電荷的分布情況隨金屬與半導體間所加的電壓VG而變化，基本上可歸納為多子堆積、耗盡和反型三種情況 ：,19,

7、（1） 多 子 積 累,特征： 1）能帶向上彎曲并接近EF；,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,Qs,Qm,x,VG0,2）多子（空 穴）在半導 體表面積累 ，越接近半 導體表面多 子濃度越高。,1、空間電荷層及表面勢,20,(2) 平 帶,特征：半導體表面能帶平直。,VG=0,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,21,（3） 耗 盡,特征： 1）表面能帶 向下彎曲；,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,VG0,Qm,Qs,x,2）表面上的多子濃度比體內少得多，基本上耗盡，表面帶負電。,22,（4）反 型,特征： 1）Ei與EF在表面處相交（此處為本征型）；,2）表面區(qū)的少子數多子數表面反型；3）

8、反型層和半導體內部之間還夾著一層耗盡層。,23,對于n型半導體，當金屬與半導體間加正電壓時，表面層內形成多數載流子電子的堆積；當金屬與半導體間加不太高的負電壓時，半導體表面內形成耗盡層；當負電壓進一步增大時，表面層內形成有少數載流子空穴堆積的反型層。,24,P型半導體的表面電荷QS和表面勢VS關系,25,2、理想MIS結構的電容效應,27,（1a）表面電場分布Es,3、表面空間電荷層的 電場、電勢和電容,28,29,30,31,（1b）表面電荷分布Qs,32,33,（1）多子積累時：Vs0,討論：,34,多子積累時：,35,(2)平帶：Vs=0,36,（3）耗盡： Vs0,37,（3）耗盡：

9、Vs0,38,xd,39,(4)反型,回顧,40,qVB,qVs,(4)反型,當表面處少子濃度等于體內多子濃度,為強反型,根據Boltzmann統(tǒng)計：,41,(4)反型,根據Boltzmann統(tǒng)計：,42,開啟電壓VT：使半導體表面達到強反型時加在金屬電極上的柵電壓就是開啟電壓.,43,臨界強反型時：,44,強反型后： Vs 2VB ，且qVsk0T,根號內第二項是主要的,45,46,出現(xiàn)強反型，表面耗盡層寬度就達到一個極大值xdm，不再隨外加電壓的增加而增加。這是因為反型層中積累電子屏蔽了外電場的作用。 耗盡層寬度極大值由耗盡層近似處理方法和強反型層條件得到。半導體單位面積上的電荷量由兩部分

10、組成，一部分是電離受主的負電荷NA，另一部分是反型層中的積累電子。,47,深耗盡狀態(tài) 以p型半導體為例，在金屬與半導體間加一脈沖階躍或高頻正弦波形成的正電壓時，由于空間電荷層內的少數載流子的產生速率趕不上電壓的變化，反型層來不及建立，只有靠耗盡層延伸向半導體內所產生大量受主負電荷以滿足電中性條件。因此，這種情況時耗盡層的寬度很大，可遠大于強反型時的最大耗盡層寬度，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)。,48,討論深耗盡狀態(tài)向平衡反型狀態(tài)的過渡過程: 階躍陡變的正電壓 深耗盡狀態(tài) 深耗盡狀態(tài):產生率大于復合率 產生的電子 表面-反型層 產生的空穴 體內-與深耗層邊緣的電離受

11、主中和 -深耗層減薄 一定時間后深耗層寬度減少到強反型時所對應的最大寬度xdm,49,討論深耗盡狀態(tài)向平衡反型狀態(tài)的過渡過程:,從深耗盡狀態(tài)(寬度 )過到平衡反型狀態(tài)(寬度 ) 的熱馳豫時間 :,熱馳豫時間一般為1-100s, 是一個快過程,50,深耗盡狀態(tài)是在實際中經常遇到的一種較重要的狀態(tài)。 在非平衡電容電壓法測量雜質濃度分布，電容時間法測量襯底中少數載流子壽命時半導體表面處于這種狀態(tài)。 電荷耦合器件(CCD)和熱載流子的雪崩注入也工作在表面耗盡狀態(tài)。,51,MIS結構的C-V特性,前面已知:,52,MIS結構的C-V特性,多子堆積,平帶,耗盡,強反型,53,MIS結構的C-V特性,為了分

12、析電容的變化特性,我們分情況考察,54,（1）、多子積累時：,（1）當/Vs/較大時，有C Co 半導體從內部到表面可視為導通狀態(tài)；,C/Co,（2）當/Vs/較小時，有C/Co1。,MIS結構的C-V特性,55,(2)平帶狀態(tài),特征：歸一化電容與襯底摻雜濃度NA和絕緣層厚度do有關。,56,（3）耗盡狀態(tài),57,58,（4）強反型后：A、低頻時,59,B、高頻時,60,結 論,（1）半導體材料及絕緣層材料一定 時，C-V特性將隨do及NA而 變化； （2）C-V特性與頻率有關,MIS結構等效電路 MIS結構的C-V曲線,61,3、金屬與半導體功函數差Wms 對MIS結構C-V特性的影響,例：

13、當WmWs時，將導致C-V特性向負柵壓方向移動。,62,結構連通后且VG=0時：,Wm,Ws,Ec,Ev,SiO2,EFm,EFs,63,結構還未連接時：,64,接觸電勢差qVms ：因功函數不同而 產生的電勢差。,qVms,qVi,EF,Ei,Ec,Ev,SiO2,VG0,Wm-Ws =q（Vms+Vi）qVms,：WmWs的情況。,65,如何恢復平帶狀況？,VG=-Vms,加上負柵壓,66,使能帶恢復平直的柵電壓,CFB,VFB1,平帶電壓VFB1,4、絕緣層電荷對MIS 結構C-V特性的影響,68,（1A）假設在SiO2中距離金屬- SiO2界面x處有一層正電荷,do,假定Wm=Ws,討

14、論：,69,恢復平帶的方法：,VG0,使能帶恢復平直的柵電壓,70,使能帶恢復平直的柵電壓,71,（2）一般情況：正電荷在SiO2中有一定的體分布,72,73,真實的Si-SiO2系統(tǒng)性質,Si-SiO2系統(tǒng) 硅表面SiO2形成方法：熱氧化或化學汽相沉積法 表面SiO2結構：薄膜呈無定形玻璃狀，近程有序的網絡狀結構，基本單元是一個由硅氧原子組成的四面體 外來雜質主要類型：一是P、B等替位式雜質，它們替代Si位于四面體的中心；另一種是間隙式雜質，它們存在于網絡間隙之中，如鈉、鉀等大離子，易于攝取四面體中的一個橋鍵氧原子，形成一個金屬氧化物鍵而削弱或破壞網絡狀結構，導致雜質原子易于遷移或擴散。,7

15、4,硅器件真實的表面上，二氧化硅薄膜。存在多種形式的電荷或能量狀態(tài),75,二氧化硅中的可動離子 雜質在二氧化硅中擴散時的擴散系數具有以下形式：實驗顯示Na原子的擴散系數最大 鈉離子的漂移可引起二氧化硅層中電荷分布的變化，從而影響C-V特性關系。將引起MOS結構的C-V特性曲線沿電壓軸發(fā)生漂移，漂移量的大小和鈉離子的數量及其在二氧化硅層中的分布情況有關。,76,溫度偏壓實驗,1狀態(tài),溫度偏壓實驗,77,溫度偏壓實驗,溫度偏壓實驗,2狀態(tài),78,溫度偏壓實驗,溫度偏壓實驗,3狀態(tài),79,溫度偏壓實驗,溫度偏壓實驗,溫度偏壓實驗 QNaCoVFB 鈉離子數為： NNaQNa /q,80,二氧化硅層中

16、的固定表面電荷作用 固定表面電荷特點： 這種電荷的面密度是固定的。電荷量不隨能帶彎曲而變化，既是說這種電荷不能進行充放電。 Qfg電荷位于硅二氧化硅界面的20nm范圍以內。 Qfg值受氧化層厚度或硅中雜質類型及濃度的影晌不明顯 .Qfg與氧化和退火條件、以及硅晶體的取向有很顯著的關系。 一般在硅和二氧化硅界面固定表面電荷為正電荷，過剩硅離子是產生原因。,81,二氧化硅層中的固定表面電荷作用 固定表面電荷的存在也引起MOS結構C-V特性曲線發(fā)生變化。固定帶正電表面電荷引起半導體表面層中能帶向下彎曲。要恢復平帶情況，需要在金屬與半導體間加一負電壓，即平帶點沿電壓軸向負方向移動一個距離。,82,固定

17、表面電荷分布靠近硅二氧化硅界面，近似地認為這電荷就分布在界面處，故平帶電壓 再考慮金屬和半導體功函數差的影響，則得總平帶電壓： 則電位面積固定電荷數量：,83,硅二氧化硅界面處的快界面態(tài)快界面態(tài) 快表面態(tài)是指存在于硅二氧化硅界面處且能量值位于硅禁帶中的些分立或連續(xù)的電子能態(tài)。由于這些界面態(tài)相對于吸附于二氧化硅外表面的分子、原子等所引起的外表面態(tài)來說,可以迅速地和半導體導帶或價帶交換電荷，所以稱為快界面態(tài)。 界面態(tài)一般也分為施主和受主兩種。不論能級在禁帶中的位置如何，若能級被電子占據時呈電中性，釋放電子后呈正電性，則都稱為施主型界面態(tài)；若能級空著時為電中性狀態(tài)而接受電子后帶負電，則稱為受主型界面

18、態(tài) 電子占據施主和受主界面態(tài)的分布函數如下，其中ESD和ESA分別為施主或受主界面態(tài)的能值，g為基態(tài)簡并度,84,85,二氧化硅中的陷阱電荷 硅二氧化硅界面附近，還常常存在一些載流子陷阱當射線、射線、電子射線等能產生電離的輻射線通過氧化層時，可在二氧化硅中產生電子空穴對。 如果氧化物中沒有電場，電子和空穴將復合掉，不會產生凈電荷。如果氧化層中存在電場時，因電子在二氧化硅中可以移動，將被拉向柵極，空穴在二氧化硅中很難移動可能陷入陷阱中。這些陷阱捕獲了空穴就表現(xiàn)為正的空間電荷。,86,表 面 電 導,垂直于表面方向的電場 表面電導,87,表面載流子的有效遷移率,距離表面x處電子電導率為,電子有效遷

19、移率,表面層內電子形成的單位面積電荷,88,表面電場對pn結特性的影響,1 n區(qū)摻雜比襯底摻雜重得多; 2 假定半導體表面沒有任何表面態(tài); 3 金屬柵與半導體間亦無功函數差.,襯底接地,89,不加表面電場時， 能帶在x方向沒有 變化，只在y方向 有變化，這是由n 區(qū)和p區(qū)之間的自 建電壓引起的。 在柵上加電壓VG 后，如果p-n結上 不加電壓，這 時柵控二極管將 仍處于平衡情況， 因而半導體中費 米能級處處相等。,90,在柵電壓的表面電場作用下，柵下面的P區(qū)表面層將發(fā)生耗盡和反型。以VT表示使柵下面p區(qū)表面處開始發(fā)生強反型所需的柵電壓，習慣上稱這個電壓為開啟電壓。由圍中可看到，當p區(qū)表面反型時

20、， 場感應結。 當柵電壓VG大于VT時，p區(qū)表面處因反型面產生電子積累，表面處的導帶底應下降到靠近費米能級。這表示從p區(qū)內部到表面發(fā)生了能帶向下彎曲，能帶圖成為圖中所示那樣。 根據平衡情況空間電荷區(qū)理論，在表面開始強反型后，耗盡區(qū)寬度達到最大值，并且不再隨VG的增大而增大，這時表面勢認可近似地表示為認；2VB。,91,非平衡情況,考慮在pn結上加反 向偏壓的情況：令VT(VR)表 示當p-n結上有偏壓VR時， 使p區(qū)表面反型所必須的 柵電壓。這個電壓比零 偏結的開啟電壓VT要大。 這是因為外加反向偏壓 降低了電子的準費米能 級，因此即使表面處能 帶彎曲得如圖右表面平 衡情形那樣低，導帶仍 不能

21、足夠接近電子的準 費米能級而引起反型。 當柵電壓VG小于VT(VR) ，即其大小還不足以使 p區(qū)表面反型時，表面只 發(fā)生耗盡。,92,圖表示柵電壓VG大于VT(VR) ，在P區(qū)表面形成反型層時 的能帶因形成的表面反型層 是一個高電導區(qū)，并與n區(qū)連通，其電勢應和n區(qū)幾乎相等，故反型層表面處的導帶底位 置如圖中那樣和n區(qū)導帶底 接近。又因為p區(qū)內部導帶 底位置較n區(qū)導帶底高q(VR+VD)，且VD近似等于 2VB，故開始發(fā)生強反型時 的表面勢可以近似表示為 VS=VR+2VB,93,和平衡情況一樣，在表面反型后 由于反型層中積累電的屏蔽作用， 耗盡區(qū)寬度達到最大值xdm但是 這個寬度現(xiàn)在是反偏壓V

22、R的函數， 實際上，它是在n型反型層和其下 的P間形成的場感應結的反偏耗盡 區(qū)寬度。,所以,94,在表面反型前，根據耗盡假設，表面層中電荷 主要是電離受土的負電荷，故單位面積的電荷是,強反型開始后,95,在第6章關于pn結的討論中，曾經得出，硅P-n結在室溫下的反向電流中，擴散電流微不足道，而主要部分是由耗盡區(qū)復合產生中心的作用而產生的電天空穴對所引起的。因此，對于硅P-n結情形，反向電流的大小取決于結耗盡區(qū)復合中心的總數。根據這一想法，現(xiàn)在考慮表面電場對硅p-n結反向電流的影響。 為了與場感應紹區(qū)別，稱原來由摻雜形成的Pn結為冶金結。,96,在(c)的情形中，由于柵下面的表而反型而形成了場感

23、應結，這個結的耗盡區(qū)的復合產生中心也應對產生電流有貢獻，因而產生的電流比單純冶金結情形要大。 在情形(b)，表面層耗盡，耗盡層寬度隨柵電壓VG增加，由表面耗盡區(qū)貢獻的產生電流分量也隨之增加。 一旦表面反型，xd達到其最大值，這個電流分旦將不再增加。,97,冶金結產生電流,耗盡區(qū)產生電流,表面耗盡區(qū)產生電流,98,載流子產生率,冶金結產生電流,耗盡區(qū)產生電流,表面耗盡區(qū)產生電流,完全耗盡界面單位面積產生率,99,正向偏壓-復合電流,正向復合電流,上式是僅考慮了冶金結耗盡區(qū)復合電流的情形。 場感應結和界面同樣也可以對復合電流有頁獻， 且類似關系也近似成立。因此，加上場感應結 和表面電流分量，最大正

24、向復合電流可近似由下式給出：,100,當柵電壓使襯底表面反型時將存在一 個和冶金結并聯(lián)的場感應結。 這個場感應結有它自己的擊穿電壓，而且在很多情況下，其擊穿 電壓比冶金結的要低。 這時，當反向電壓增加到超過場感應結的擊穿電壓V(BR)FJ時，由于場感應結開始擊穿，電流隨電壓迅速增加。這個電流沿著反型層流向P型區(qū)，并隨著反向電壓進一步的增加而達到一個飽和值。繼續(xù)增加反向電壓到超過冶金結的擊穿電壓V(BR)MJ M時電流再次 迅速增加。這種電流電壓特性表示稱做溝通特性。,101,重摻雜區(qū)上部形成的場感應結,如果場感應結形成在p+區(qū)，因為場感應結是在高摻雜材料的上部 形成，其擊穿電壓將會很低，在小的反向電壓下就開始有溝道電流。 在高雜質濃度情況時，擊穿機構是齊納擊穿。,102,齊納擊穿有一個特征，即在零點附近兩邊電流電壓特性是