第13讲 金属-半导体接触和MIS结构

1、第七章第七章 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构学习目标：1、理解功函数的概念。2、掌握典型金属与半导体接触的机理及应用。3、理解金属绝缘层半导体（MIS）结构及应有。 金属金属-半导体接触：半导体接触： 指的是有金属和半导体相互接触而形成的指的是有金属和半导体相互接触而形成的结构。结构。 金属金属-绝缘层绝缘层-半导体结构（半导体结构（MIS）：金属：金属和半导体中插入绝缘层。和半导体中插入绝缘层。是是集成电路集成电路CMOS核核心单元。心单元。 金属金属-半导体接触可形成半导体接触可形成整流特性接触和整流特性接触和欧姆接触欧姆接触。 整流特性接触：金属细丝与半导体表面形整流特

2、性接触：金属细丝与半导体表面形成整流接触。成整流接触。 欧姆接触：电极连接作用，等效一个小电欧姆接触：电极连接作用，等效一个小电阻。阻。CMOS CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） 互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。 是组成CMOS数字集成电路的基本单元。 在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。 在今日，CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感

3、光元件，尤其是片幅规格较大的单反数码相机。 另外，CMOS同时可指互补式金氧半元件及制程。 因此时至今日，虽然因为工艺原因，都叫做CMOS，但是CMOS在三个应用领域，呈现出迥然不同的外观特征： 一是用于计算机信息保存，CMOS作为可擦写芯片使用，在这个领域，用户通常不会关心CMOS的硬件问题，而只关心写在CMOS上的信息，也就是BIOS的设置问题，其中提到最多的就是系统故障时拿掉主板上的电池，进行CMOS放电操作，从而还原BIOS设置。 二是在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常

4、高端摄像头都是CCD感光元件。 三是在更加专业的集成电路设计与制造领域。势垒 （Potential Energy Barrier） 就是势能比附近的势能都高的空间区域，基本上就是极值点附近的一小片区域。肖特基势垒 金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域 形成过程如下：形成过程如下： 金属-半导体作为一个整体在热平衡时有同样费米能级.由半导体到金属,电子需要克服势垒;而由金属向半导体,电子受势垒阻挡.在加正向偏置时半导体一侧的势垒下降;相反,在加反向偏置时,半导体一侧势垒增高.使得金属-半导体接触具有整流作用 (但不是一切金属-半导体接触均如此.如果对于P型半导体,金属的功函数大于半导体的功

5、函数,对于N型半导体,金属的功函数小于半导体的功函数,以及半导体杂质浓度不小于1019/立方厘米数量级时会出现欧姆接触,它会因杂质浓度高而发生隧道效应,以致势垒不起整流作用). 当半导体均匀掺杂时肖特基势垒的空间电荷层宽度和单边突变P-N结的耗尽层宽度相一致利用金属半导体接触制作的检波器很早就应用于电工和无线电技术之中，如何解释金属半导体接触时表现出的整流特性，在20世纪30年代吸引了不少物理学家的注意。德国的W.H.肖脱基、英国的N.F.莫脱、苏联的.达维多夫发展了基本上类似的理论，其核心就是在界面处半导体一侧存在有势垒，后人称为肖脱基势垒。 肖特基二极管（肖特基二极管（SBD） 具有具有整

6、流整流效应的效应的金属金属-半导体接触，称半导体接触，称为肖特基接触为肖特基接触。 以此为基础制成的二极管称为以此为基础制成的二极管称为肖特基二肖特基二极管（极管（SBD），它比一般的半导体二极管，它比一般的半导体二极管特性更好。特性更好。 肖特基二极管（肖特基二极管（SBD）特性：）特性： （1）高频性能好，开关速度快）高频性能好，开关速度快 SBD电流电流取决于取决于多数载流子的热电子发射多数载流子的热电子发射；（功函数差）；（功函数差） P-N结电流结电流取决于取决于非平衡载流子的扩散运动非平衡载流子的扩散运动。（浓度差）。（浓度差） SBD：不发生电荷存储效应不发生电荷存储效应； P-

7、N结结：电荷存储效应。电荷存储效应。 电荷的积累和消失需要时间，限制高频和高速器件应用。电荷的积累和消失需要时间，限制高频和高速器件应用。 （2）正向导通电压低）正向导通电压低 SBD热电子发射代替热电子发射代替P-N结非平衡载流子的扩散，结非平衡载流子的扩散，载流载流子热运动速度比扩散速度高几个数量级子热运动速度比扩散速度高几个数量级。 同样工作电流，同样工作电流，SBD正向导通电压低正向导通电压低。势垒电容 在积累空间电荷的势垒区，当PN结外加电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容

8、称为势垒电容。 势垒电容具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。 7.2 欧姆接触欧姆接触 欧姆接触：电流和电压关系遵循欧姆定律欧姆接触：电流和电压关系遵循欧姆定律，欧姆接触，欧姆接触好坏的参量是好坏的参量是特征电阻特征电阻，又称，又称接触电阻接触电阻。（好的接触，特。（好的接触，特征电阻小于征电阻小于10-7 .cm） 金属的功函数小于金属的功函数小于N型半导体的功函数、金属的功函型半导体的功函数、金属的功函数小于数小于P型半导体的功函数，形成高电导区（反阻挡层）。型半导体的功函数，形成高电导区（反阻挡层）。金属的功函数小于金属的功函数小于N型半导体的功函数型半导

9、体的功函数N型半导体型半导体 理论上，选择理论上，选择功函数比功函数比N型半导体的功函数型半导体的功函数小、功函数比小、功函数比P型半导体的功函数大的金属型半导体的功函数大的金属，形，形成成高电导区（反阻挡层），阻止整流作用高电导区（反阻挡层），阻止整流作用。 实际工艺，常用的实际工艺，常用的欧姆接触制备技术欧姆接触制备技术有：有：低势低势垒接触、高复合接触、高掺杂接触。垒接触、高复合接触、高掺杂接触。 （1）低势垒接触）低势垒接触 选择功函数与半导体的功函数接近的金属选择功函数与半导体的功函数接近的金属， 接触势垒小，足够载流子互相进入，接触势垒小，足够载流子互相进入，整流效应小整流效应小。

10、 金与金与P型硅型硅势垒高度势垒高度0.34 eV，Pt与与P型硅型硅势垒高势垒高度度0.25 eV。 （2）高复合接触）高复合接触 金属与半导体的金属与半导体的接触面附近接触面附近，引入复合中心引入复合中心打磨（打磨（缺陷缺陷）、）、Cu、Au、Ni合金扩散（合金扩散（杂质杂质），形成形成高复合接触高复合接触，复合掉非平衡载流子，复合掉非平衡载流子，没有整没有整流作用流作用。（3）高掺杂接触）高掺杂接触 金属与半导体的金属与半导体的接触处，扩散或合金法，掺入接触处，扩散或合金法，掺入高浓度施主或受主杂质，高浓度施主或受主杂质，构成金属构成金属-N+-N或金属或金属-P+-P结构，形成结构，形

11、成高掺杂接触。高掺杂接触。 流过金属流过金属-N+-N接触电流主要是电子电流接触电流主要是电子电流，空，空穴电流小，非平衡载流子（空穴）注入可忽略。穴电流小，非平衡载流子（空穴）注入可忽略。 接触处存在势垒，掺杂浓度高，势垒宽度薄，接触处存在势垒，掺杂浓度高，势垒宽度薄，容易发生电子的隧道穿透容易发生电子的隧道穿透，不能阻挡电子运动，不能阻挡电子运动，实现欧姆接触。实现欧姆接触。 大多采用大多采用高掺杂接触。高掺杂接触。 隧道效应隧道效应 施加反向偏压施加反向偏压时，时，势垒区能带发生倾斜势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势；反向偏压越大，势垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区的能带也越倾斜

12、，垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区的能带也越倾斜，甚至可以使得甚至可以使得p区的价带顶比区的价带顶比n区的导带底还要高区的导带底还要高。此时。此时p区区的价带中的电子将较容易到达的价带中的电子将较容易到达n区的导带区的导带。这个效应称为。这个效应称为隧隧道效应道效应。 当反向电压达到一定程度，通过隧道效应产生的反向电流将当反向电压达到一定程度，通过隧道效应产生的反向电流将突然增大，此时称为突然增大，此时称为pn结的隧道击穿结的隧道击穿。电子电子变窄变窄 7.3 金属金属-绝缘层绝缘层-半导体结构（半导体结构（MIS） 金属金属-绝缘层绝缘层-半导体结构（半导体结构（MIS）：金属和半导体

13、中插入：金属和半导体中插入绝缘层。集成电路绝缘层。集成电路CMOS核心单元。核心单元。 结构是一个结构是一个电容电容，金属和半导体间加电压，金属表面一，金属和半导体间加电压，金属表面一个原子层堆积个原子层堆积高密度载流子高密度载流子。半导体中相反电荷产生半导体中相反电荷产生。形成。形成内建电场，空间电荷区两端产生电势差内建电场，空间电荷区两端产生电势差Vs，称为，称为表面势表面势。 表面势：半导体表面相对于半导体体内的电势差表面势：半导体表面相对于半导体体内的电势差。表面。表面电势高于体内电势时，表面电势为正值，反之负值。电势高于体内电势时，表面电势为正值，反之负值。金属金属绝缘层绝缘层半导体

14、半导体 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 具有具有栅电极（用栅电极（用G 表示），源电极（用表示），源电极（用S 表示）和漏电表示）和漏电极（用极（用D表示）表示）的三端器件。的三端器件。 其中与其中与半导体直接形成欧姆接触半导体直接形成欧姆接触的两个电极分别称为的两个电极分别称为源源极和漏极极和漏极，被限制在，被限制在源极和漏极之间的导电区域源极和漏极之间的导电区域称为称为沟道沟道。 与绝缘层接触并隔着绝缘层与绝缘层接触并隔着绝缘层与源电极和漏电极间的沟道与源电极和漏电极间的沟道正对的称为正对的称为栅极栅极。 n沟道沟道MOS管基本工作原理管基本工作原理 源极与衬底短接，源极与衬底短接，当当Vgs=0 时时，由于，由于PN结耗尽层的作结耗尽层的作用，用，漏源之间阻抗很大，无电流通过漏源之间阻抗很大，无电流通过。 当当Vgs0 时时，栅极上的正电荷在栅氧化层中产生一个，栅极上的正电荷在栅氧化层中产生一个垂直电场垂直电场，空穴被排斥离开表面空穴被排斥离开表面，随着随着Vgs的增大的增大，当空穴当空穴被排斥尽被排斥尽，电子电子从从n+源、漏