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1、第8章 半导体表面和MIS结构 本章重点 n表面态概念 n表面电场效应 nMIS结构电容 电压特性 n硅 二氧化硅系统性质 8 1表面态 n理想表面 表面层中原子排列的对称性与体内 原子完全相同 且表面不附着任何原子或分子 的半无限晶体表面 n在半导体表面 晶格不完整性使势场的周期性 被破坏 在禁带中形成局部状态的能级分布 产生附加能级 这些状态称为表面态或达姆 能级 清洁表面的表面态所引起的表面能级 彼此 靠得很近 形成准连续的能带 分布在禁带内 n从化学键的角度 以硅晶体为例 因晶格在表面处突然终 止 在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子 即有一个未饱和的键 这个键称为悬挂键 与之
2、对应的电 子能态就是表面态 n实际表面由于薄氧化层的存在 使硅表面的悬挂键大部分 被二氧化硅层的氧原子所饱和 表面态密度大大降低 n此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的 表面态 这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关 n由表面态 表面能级 的性质和费米能级的位 置 它们可能成为施主或受主能级 或者成为 电子 空穴对的复合中心 半导体表面态为施主态时 向导带提供电子后 变成正电荷 表面带正电 若表面态为受主态 表面带负电 表面附近可动电荷会重新分布 形成空间电荷 区和表面势 而使表面层中的能带发生变化 8 2表面电场效应 8 2 1空间电荷层及表面势 表面空间电荷区的形成 外加电
3、场作用于半导体表面 8 2表面电场效应 8 2 1空间电荷层及表面势 电场 电势 电子势能 表面能带 8 2表面电场效应 8 2 1空间电荷层及表面势 n表面势 空间电荷层两端的电势差为表 面势 以Vs表示之 规定表面电势比内部 高时 Vs取正值 反之Vs取负值 n三种情况 多子堆积 多子耗尽和少子 反型 8 2 2表面空间电荷层的电场 电 势和电容 n规定x轴垂直于表面指向半导体内部 表 面处为x轴原点 n采用一维近似处理方法 空间电荷层中 电势满足泊松方程 n其中 n设半导体表面层仍可以使用经典分布 则在电势为V的x点 半导体内部电势为0 电子和空穴的浓度分别为 n在半导体内部 电中性条件
4、成立 故 即 n带入可得 n上式两边乘以dV并积分 得到 n将上式两边积分 并根据 n得 n令 n分别称为德拜长度 F函数 则 n式中当V大于0时 取 号 小于0时 取 号 n在表面处V Vs 半导体表面处电场强度 n根据高斯定理 表面电荷面密度Qs与表面 处的电场强度有如下关系 n带入可得 n当金属电极为正 即Vs 0 Qs用负号 反 之Qs用正号 n在单位表面积的表面层中空穴的改变量 为 n因为 n考虑到x 0 V Vs和x V 0 则得 n同理可得 n微分电容 n单位F m2 8 2 3 各种表面层状态 n 1 多数载流子堆积状态 积累层 1 积累层 VG 0 Vs 0 VG0时 表面处
5、空穴被排斥 走 当空穴势垒足够高时 表面层价带空穴极为稀 少 可认为该层多子空穴 被耗尽 称为耗尽层 表面微分电容为 采用耗尽近似 8 2 3 各种表面层状态 n 4 少数载流子反型状态 反型层 VG 0 开始出现反型层的条件 表面势 费米势时 反型层的条件 8 2 3 各种表面层状态 强反型层出现的条件 型衬底表面处的电子密度等于体内 的空穴浓度时 强反型层条件 8 2 3 各种表面层状态 金属与半导体间加负压 多子堆积 金属与半导体间加不太高的正压 多子耗尽 金属与半导体间加高正压 少子反型 p型半导体 8 2 3 各种表面层状态 n 型半导体 金属与半导体间加正压 多子堆积 金属与半导体
6、间加不太高的负压 多子耗尽 金属与半导体间加高负压 少子反型 8 3 MIS结构的电容 电压特性 nMIS结构的微分电容 n理想MIS结构的低频C V特性 n理想MIS结构的高频C V特性 n实际MIS结构的C V特性 8 3 1 MIS结构的微分电容 n栅压 VG VO VS n当不考虑表面态电荷 半导体的总电荷 面密度 QS QG nMIS结构的微分电容 C dQG dVG n定义 u 氧化层电容 u 空间电荷区电容 则有 8 3 2 理想MIS结构的低频C V特性 n理想MIS结构 金属的功函数与半导体相同 Vms 0 氧化层中没有电荷存在 Qo 0 半导体 氧化物没有界面态 Qss 0
7、 MSI MIS结构的微分电容公式 VG 0 VS0 0 VS VT VS 2VB u表面强反型 CS很大 C Co 1 n阈值电压 开启电压 半导体表面刚达到强反 型时所加的栅压 n归一化电容 8 3 3理想MIS结构的高频C V特性 表面积累 表面耗尽 高低频特性一样 VG VT VS 2VB 表面强反型 高频时 反型层中电子的增减跟不上频率 的变化 空间电荷区电容呈现的是耗尽层电 容最小值 MIS结构的电容也呈现最小值 不再随偏压VG呈现显著变化 深耗尽状态 n当偏压VG的变化十分迅速 且其正向幅 度大于VT 则 即使表面势VS 2VB 反型层也来不及建 立 耗尽层宽度随偏压幅度的增大而
8、增 大 深耗尽状态 n当表面处于深耗尽 随VG增加 d增加 dM MOS结构的电容不再呈现为最小值 8 3 4 实际MIS结构的C V特性 1 功函数差异的影响 n平带电压 为了恢复半导体表面平带状态需要 加的电压 n 考虑功函数差异的影响 VFB Vms 2 绝缘层中电荷的影响 当绝缘层处有一薄层电荷 其面电荷密度为 n当绝缘层中有分布电荷 则有 其中 氧化层中总有效电荷面密度 C V特性的应用 n求氧化层厚度dOX COX dOX n求半导体掺杂浓度NA ND C min dOX NA ND 计算 或图8 12 n求氧化层中总有效电荷面密度QOX dOX NA CFB VFB QOX 8
9、4 Si SiO2系统的性质 n1 二氧化硅中的可动离子 n2 二氧化硅中的固定表面电荷 n3 在硅 二氧化硅界面处的快界面态 n4 二氧化硅中的陷阱电荷 8 4 1 二氧化硅中的可动离子 n二氧化硅中的可动离子有Na K H等 其中最主要而对器件稳定性影响最大的 是Na离子 n来源 使用的试剂 玻璃器皿 高温器 材以及人体沾污等 n为什么SiO2层中容易玷污这些正离子而且 易于在其中迁移呢 n二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧 原子组成的四面体 Na离子存在于四面 体之间 使二氧化硅呈现多孔性 从而 导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩 散 n由于Na的扩散系数远远大于其它杂质 根据爱因斯坦
10、关系 扩散系数跟迁移率 成正比 故Na离子在二氧化硅中的迁移 率也特别大 n温度达到100摄氏度以上时 Na离子在电场作 用下以较大的迁移率发生迁移运动 n作偏压 温度实验 可以测量二氧化 硅中单位面积上的Na离子电荷量 单位面积钠离子电荷数 n可动钠离子对器件的稳定性影响最大 1 漏电增加 击穿性能变坏 2 平带电压增加 n如何解决钠离子玷污的问题 1 把好清洁关 2 磷蒸汽处理 8 4 2 二氧化硅中的固定表面 电荷 二氧化硅层中固定电荷有如下特征 n电荷面密度是固定的 n这些电荷位于Si SiO2界面200 范围以内 n固定表面电荷面密度的数值不明显地受 氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度
11、的 影响 n固定电荷面密度与氧化和退火条件 以 及硅晶体的取向有很显著的关系 过剩硅离子是固定正电荷的来源 n这些电荷出现在Si SiO2界面200 范围以内 这个区 域是SiO2与硅结合的地方 极易出现SiO2层中的缺陷及 氧化不充分而缺氧 产生过剩的硅离子 n实验证明 若在硅晶体取向分别为 111 110 和 100 三个方向生长SiO2时 他们的硅 二氧化硅结构中 的固定表面电荷密度之比约为3 2 1 n将氧离子注入Si SiO2系统界面处 在450度进行处 理 发现固定表面电荷密度有所下降 n将MOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发现 当温度 高出钠离子漂移温度 127度 时 这些固定
12、的表面电荷密 度有所增加 平带电压 单位表面积的固定 正电荷数目 8 4 3在Si SiO2界面处的快界面态 nSi SiO2系统中位于两者界面处的界面态就是来 自于悬挂键 即所谓塔姆能级 n硅表面的晶格缺陷和损伤 将增加悬挂键的密 度 同样引入界面态 n在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态 这 些界面态位于Si SiO2界面处 所以可以迅速地 和Si半导体内导带或价带交换电荷 故此称为 快态 n界面态能级被电子占据时呈现电中性 而施放了电子之后呈现正电性 称为施 主型界面态 n若能级空着时为电中性而被电子占据时 带上负电荷 即称为受主型界面态 n界面态能级被电子或空穴所占据的概率 与半导体内
13、部的杂质能级被电子占据 的概率分布相同 n峰值分布 认为界面 态能级连续地分布在 禁带中 其中有两个 高密度峰 一个靠近 导带底为受主界面 态 另一个靠近价带 顶为施主界面态 减少界面态的方法 n合理地选择面原子密度小的晶面 如 100 晶面上生长SiO2 会减小未饱和的 悬挂键的密度 从而使界面态密度下降 n通过选择在适当的条件和气氛下对Si SiO2系统进行退火 来降低表面态的密度 8 4 4 SiO2中的陷阱电荷 nSi SiO2系统在器件工艺 测试或应用中常常 会受高能粒子 这些电磁辐射通过氧化层时 可 以在氧化层中产生电子 空穴对 在偏压作用 下 电子 空穴对中的电子容易运动至外加偏置 电路形成电流 而空穴即被SiO2层中的陷阱陷落 而运动不到电极中去 那么氧化层就带上了正电 荷 这就是陷阱电荷 nSi SiO2系统C V特性向负偏压方向平移而出 现平带电压 n陷阱电荷在惰性气体中 在300度以上进行低 温退火 可以很快消除
