半导体表面与MIS结构

1、8PSGN-SiP+P-P+N+N+CMOS集成电路工艺集成电路工艺-以以P阱硅栅阱硅栅CMOS为例为例表面：固体与真空之间的分界面。表面：固体与真空之间的分界面。界面：不同相或不同类的物质之间的分界面界面：不同相或不同类的物质之间的分界面 。固体有限固体有限表面表面界面界面周围的环境相互作用周围的环境相互作用 物理和化学特性产生很大影响物理和化学特性产生很大影响 新兴的多学科新兴的多学科综合性边缘学科综合性边缘学科主要内容主要内容表面电场效应表面电场效应表面态表面态表面电导及迁移率表面电导及迁移率硅二氧化硅系统（了解）硅二氧化硅系统（了解）MIS结构电容电压特性结构电容电压特性清洁表面清洁表

2、面 ：一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面真实表面真实表面：由于环境的影响，实际接触的表面往往：由于环境的影响，实际接触的表面往往生成氧化物或其他化合物，还可能有物理吸附层，生成氧化物或其他化合物，还可能有物理吸附层，甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。 1.1.理想表面和实际表面理想表面和实际表面理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，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。且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。实际表面实际表面清洁表

3、面清洁表面表面驰豫表面驰豫：沿垂直表面方向偏离平衡位置沿垂直表面方向偏离平衡位置 表面重构：表面重构：沿平行表面方向偏离平衡位置沿平行表面方向偏离平衡位置 总结：总结：“表面表面”并不是一个几何面，而是指大块晶体的三并不是一个几何面，而是指大块晶体的三维周期结构与真空之间的维周期结构与真空之间的过渡区过渡区，它包括了，它包括了所有不所有不具有体内三维周期性的原子层。具有体内三维周期性的原子层。硅理想表面示意图硅理想表面示意图表面能级示意图表面能级示意图一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级2.2.表面态表面态体内体内：周期性势场因晶体的

4、不完整性（杂质原子或晶格缺陷）：周期性势场因晶体的不完整性（杂质原子或晶格缺陷） 的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。表面表面：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性 晶格电子的势能在垂直表面的方向上不再存在平移对称性晶格电子的势能在垂直表面的方向上不再存在平移对称性 哈密顿的本征值谱中出现了一些新的本征值哈密顿的本征值谱中出现了一些新的本征值附加电子能态（表面态）附加电子能态（表面态）形成机理：形成机理：达姆达姆(Tamm)表面态：晶格中断引起，能量位于禁带中（表面态：晶格中断引起

5、，能量位于禁带中（1932年），年）， 与杂质能级相联系的表面态与杂质能级相联系的表面态肖克莱肖克莱(shockley)表面态表面态：（源于原子能级）晶格常数小于某一数值（源于原子能级）晶格常数小于某一数值以至能带发生交迭时才可能分裂出两个位于禁带当中的定域于表面以至能带发生交迭时才可能分裂出两个位于禁带当中的定域于表面的能态（的能态（1939年）年）,与势场在两原子层中间突然终止相对应与势场在两原子层中间突然终止相对应 存在状态：存在状态：本本征表面态：即清洁表面的电子态，表面驰豫和表面重构对表面电子征表面态：即清洁表面的电子态，表面驰豫和表面重构对表面电子 态影响大（没有外来杂质）态影响大

6、（没有外来杂质）外诱表面态外诱表面态 ：表面杂质，吸附原子和其他不完整性产生：表面杂质，吸附原子和其他不完整性产生表面态特性：表面态特性： 可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心，决定了表面可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心，决定了表面复合的特性。复合的特性。 对多数载流子起散射作用，降低表面迁移率，影响表面电导。对多数载流子起散射作用，降低表面迁移率，影响表面电导。 产生垂直半导体表面的电场，引起产生垂直半导体表面的电场，引起表面电场效应表面电场效应。 补充：补充：金属半导体接触及其能级图（复习）金属半导体接触及其能级图（复习）与电子作用：与电子作用：类施主态：空态时带正电，

7、被一个电子占据后为中性的表面态类施主态：空态时带正电，被一个电子占据后为中性的表面态 类受主态：空态时为中性，被一个电子占据后带负电的表面态类受主态：空态时为中性，被一个电子占据后带负电的表面态 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它 足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数 Wm = E0 - (EF)m金属中的电子势阱金属中的电子势阱 半导体的功函数和电子亲和能半导体的功函数和电子亲和能E E0 0为真空电子能级为真空电子能级 Ws = E0 - (EF

8、)s x = E0 - Ec Ws = x + Ec-(EF)s = x + EnEn = Ec- (EF)s电子亲和能电子亲和能1.1.表面电场的产生表面电场的产生表面态与体内电子态之间交换电子表面态与体内电子态之间交换电子金属与半导体接触时，功函数不同，形成接触电势差金属与半导体接触时，功函数不同，形成接触电势差 半导体表面的氧化层或其它绝缘层中存在的各种电荷，半导体表面的氧化层或其它绝缘层中存在的各种电荷，绝缘层绝缘层 外表面吸附的离子外表面吸附的离子 MOS或或MIS 结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时离子晶体的表面和晶粒间界离子晶体的表面和晶

9、粒间界2.2.空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）外加表面电场外加表面电场空间电荷层空间电荷层空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度的的“空间电荷层空间电荷层”或叫或叫“空间电荷区空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微，其宽度从零点几微米到几个微米。米。表面势表面势MIS结构结构表面空间电荷区内能带的弯曲表面空间电荷区内能带的弯曲假设：金半接触的功函数差为零；绝缘层内无电荷；假设：金半接触的功函数差为零；绝缘层内无电荷； 绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。

10、绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。表面电场和表面势表面电场和表面势注意研究的区域注意研究的区域金属中自由电金属中自由电荷密度高，电荷密度高，电荷分布在一个荷分布在一个原子层的厚度原子层的厚度自由载流子密度要低得多自由载流子密度要低得多表面势表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，生弯曲，“表面势表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。就是为描述能带变曲的方向和程度

11、而引入的。 TkxqVpxpTkxqVnxnss0s00s0expexp表面电场可以改变表面电导表面电场可以改变表面电导表面空间电荷层的电荷与表面空间电荷层的电荷与Vs有关，有关，表现出表现出电容效应电容效应l 表面电势比内部高时取正值。表面电势比内部高时取正值。l 表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加电压表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加电压VG而变化，分为而变化，分为堆积、耗尽和反型堆积、耗尽和反型三种情况。三种情况。l 由波耳兹曼统计，表面层载流子浓度由波耳兹曼统计，表面层载流子浓度ns、ps和体内平衡载流子浓度和体内平衡载流子浓度n0、p0的关系为

12、：的关系为： 理想理想MIS结构结构（p型）型）在各种在各种VG下的表面势和空间电荷分布下的表面势和空间电荷分布（a）多子堆积；（）多子堆积；（b）多子耗尽；（）多子耗尽；（c）反型）反型VGV0VS（V0为绝缘层压降）为绝缘层压降）注意注意(1)(1)多数载流子堆积状态（多数载流子堆积状态（p p型）型）(2)(2)多数载流子耗尽状态多数载流子耗尽状态(3)(3)少数载流子反型状态少数载流子反型状态VG0Vs0进一步增加进一步增加能带进一步下弯能带进一步下弯（EF高于高于Ei）电子浓度超过空穴浓度，反型层电子浓度超过空穴浓度，反型层（负电荷，电离受主、电子）（负电荷，电离受主、电子）VBVs

13、0Vs VB0qVB（ EiEF ）体内势）体内势VG0Vs0反型状态反型状态 弱反型：弱反型： ssp0pnp强反型：强反型： sps0ppn推导强反型的条件推导强反型的条件Vs2VB及及VB值（设非简并条件下受主全部电离）值（设非简并条件下受主全部电离）p型半导体表面反型时的能带图型半导体表面反型时的能带图n n型半导体如何讨论！型半导体如何讨论！弱反型弱反型强反型强反型KTqVpssenn0 020pnniKTqVpissepnn02 表面反型条件表面反型条件出现强反型的临界条件，出现强反型的临界条件，ns=pp0KTqVissenn22KTqVissenn2KTqViKTEEiBFie

14、nenp0KTqVKTqVBs2出现强反型,2BsVV 0penNKTqViAB又iABnNqKTVlniABSnNqKTVVln22强反型出强反型出现现BsVV 表面弱反型时iAsiAsnNqkTVnNqTkVln2ln表面强反型条件为表面弱反型条件为因此 p型硅中，型硅中，|QS| 与表面势与表面势Vs的关系的关系315Acm104N室温下，求解泊松方程求解泊松方程表面层中电场强度表面层中电场强度Es、电势、电势高斯定理高斯定理s0rssEQsssVQC微分电容表面空间电荷层表面空间电荷层Vs向负值方向增大，向负值方向增大，Qs急剧增加急剧增加Es0，Qs0， C（平带电容）（平带电容）E

15、s，Qs正比于正比于(Vs)1/2弱反和强反变化不同弱反和强反变化不同表面电场，表面电荷和表面层电容都随表面电场，表面电荷和表面层电容都随VS指数增长指数增长 （强反型状态（强反型状态（VS2VB） ）反型层中电子浓度增加反型层中电子浓度增加随随VS指数增长的电子浓度完全屏蔽了其后继续增长的外电场指数增长的电子浓度完全屏蔽了其后继续增长的外电场 表面耗尽层的厚度将达到一个最大值，不再随外电场增长而加宽表面耗尽层的厚度将达到一个最大值，不再随外电场增长而加宽 表面出现的高电导层，形成了所谓表面出现的高电导层，形成了所谓“反型沟道反型沟道” (MOS晶体管工作依据晶体管工作依据) 总结：总结： 反

16、型（临界）本征状态耗尽（临界）平带状态堆积VsVs0 Vs=VB0 VsVB0强反型强反型Vs2VBMOS器件器件平衡态：平衡态：（VG 不变或速率慢）不变或速率慢）(4)(4)深耗尽状态深耗尽状态施加幅度较大的正栅压施加幅度较大的正栅压形成反型层（形成反型层（稳定稳定）（过渡过程）（过渡过程） 深耗尽状态深耗尽状态加压瞬间，电子来不及产生，无反型层加压瞬间，电子来不及产生，无反型层宽度（随正栅压增大而增大）很宽的耗尽层中的宽度（随正栅压增大而增大）很宽的耗尽层中的电离受主补偿金属栅极大量正电荷（电中性要求）电离受主补偿金属栅极大量正电荷（电中性要求）Vs特别大，特别大，-qVs特别低，电子的

17、表面深势阱特别低，电子的表面深势阱不稳定态不稳定态表面电场表面电场幅度较幅度较大，大， 变化快变化快 少子来不及产生无反型层少子来不及产生无反型层 多子（空穴）进一步向体内多子（空穴）进一步向体内 深耗尽状态深耗尽状态 （非平衡态）（非平衡态）CCD工作的基础工作的基础不稳定态不稳定态耗尽层中少数载流子浓度小于平衡浓度，产生率大于复合率，电子耗尽层中少数载流子浓度小于平衡浓度，产生率大于复合率，电子-空穴对产生空穴对产生电子和空穴分别向表面和体内运动电子和空穴分别向表面和体内运动空穴到达耗尽层与体内中性区交界处，中和电离受主，空穴到达耗尽层与体内中性区交界处，中和电离受主，耗尽层宽度减小耗尽层

18、宽度减小反型层形成反型层形成耗尽层宽度一定耗尽层宽度一定产生率等于复合率产生率等于复合率达到稳定状态达到稳定状态引入代表信息的电子电荷引入代表信息的电子电荷填充电子势阱填充电子势阱势阱深度的减小与势阱深度的减小与存储的电荷量成正比存储的电荷量成正比电子向表面运动电子向表面运动MOS栅极施加脉冲电压时，能带和相应的势阱变化栅极施加脉冲电压时，能带和相应的势阱变化电子表面深势阱电子表面深势阱非稳态非稳态稳态稳态3.MOS3.MOS场效应晶体管及场效应晶体管及CCDCCD器件器件(1)(1)MOS场效应晶体管场效应晶体管N沟道沟道MOS场效应晶体管结构示意图场效应晶体管结构示意图（源）（源）（栅）（

19、栅）（漏）（漏）N沟道沟道SSD D：n n+ +-p-n-p-n+ +结，之间加电压只有很小电流结，之间加电压只有很小电流G G加外电场足够强：加外电场足够强：S S与与D D之间二氧化硅以下之间二氧化硅以下p p型硅出现反型层型硅出现反型层栅极电场强度栅极电场强度沟道宽窄沟道宽窄调制半导体导电能力调制半导体导电能力1.1.理想理想MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性0s0s0GCQVVVVGsGMddddVQVQCMISMIS结构电容结构电容sssdVdQC 令s0111CCCMIS结构的等效电路结构的等效电路l 耗尽状态：耗尽状态：VG增加，增加，x d增大增大，Cs减小，减小，

20、CD段段 Vs2VB时：时：EF段（低频）段（低频）l 高频时：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，高频时：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到xdm不随不随VG变化，电容变化，电容保持最小值）；保持最小值）；GH段段MIS结构结构C-V曲线曲线l 绝对值较大时，绝对值较大时，CC0，AB段（半导体看成导通）段（半导体看成导通）l 绝对值较小时，随绝对值较小时，随V增加而减小，增加而减小，BC段段CFB（1）VG0理想理想MIS结构的结构的C-V曲线（以曲线（以p型为例）型为例）频率对频率对

21、MIS的的C-V特性影响特性影响n型半导体型半导体MIS结构的结构的C-V特性特性2.2.金属与半导体功函数差对金属与半导体功函数差对MISMIS结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响金属与半导体功函数差金属与半导体功函数差对对MIS结构结构C-V特性的影响特性的影响VG0 平带情形平带情形p型硅的功函数型硅的功函数金属金属Al电子从金属流向半导体电子从金属流向半导体产生指向半导体的内部电场产生指向半导体的内部电场达到平衡，费米能级相等达到平衡，费米能级相等qWWVmsms施加平带电压施加平带电压,抵消功函数不同产生的电场和能带弯曲抵消功函数不同产生的电场和能带弯曲VFBVms功函数对功函数对C-V特性曲线的影响特性曲线的影响qWWVmsms 绝缘层中薄层电荷的影响绝缘层中薄层电荷的影响VG0 平带情形平带情形3.3.绝缘层中电荷对绝缘层中电荷对MISMIS结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响同理，当同理，当MIS结构的绝缘层中存在电荷时，同样可引起结构的绝缘层中存在电荷时，同样可引起C-V曲线曲线沿电压轴平移沿电压轴平移VFB薄层电荷薄层电荷Q感应感应金属表面、半导体金属表面、半导体表面层符号相反电荷表面层符号相反电荷半导体空间电荷层产生电场半导体空间电荷层产生电场BST铁电薄膜