高二物理竞赛课件表面能带弯曲与反型

表面能带弯曲与反型表面能带弯曲与反型处于热平衡态的半导体具有统一的费米能级。当半导体表面与体内交换电子并最终达到平衡时，包括氧化层、表面、体内的各部分区域必定也具有统一的费米能级。因此在趋于平衡的过程中，如果半导体体内有较多的电子填充到表面能级，半导体表面就因此而带负电，反之半导体表面就会带正电。表面处理(1)Si-SiO2界面处的界面态密度和Si的晶向(晶面)有关，一般(111)面的态密度比(110)面大，而(110)面的态密度又比(100)大，也就是说(100)面的界面态密度最小。为减少界面态影响，在MOS器件和集成电路生产中常选用(100)晶面。将Si-SiO2系统在氢或氢和氮的混合气体中进行400-450℃低温退火，使氢与Si形成稳定的H-Si键，可以有效减少界面态密度。惰性保护气体下的高温退火也是降低界面态密度的有效手段。SiO2层中的固定表面电荷与Si单晶的晶向(晶面)、氧化工艺条件和退火工艺条件等因素有关。在不同的Si晶面上采用相同的氧化工艺条件所制备的Si-SiO2系统，固定表面电荷密度也是按照(111)、(110)和(100)晶面的顺序下降，为控制固定电荷应采用(100)晶面。另外，与湿氧氧化和水汽氧化相比，采用干氧氧化工艺生长的SiO2中固定电荷密度最低，因此适当增加干氧氧化时间、降低SiO2生长速率都能使固定电荷密度降低。由于固定电荷起因于Si-SiO2界面附近存在的过剩硅离子，采用退火工艺可进一步降低SiO2中已经形成的固定电荷。(3)影响Si半导体器件性能最重要的因素是Si-SiO2系统中

SiO2层内可动离子的漂移。降低SiO2层中可动离子的影响可以从几个方面着手：首先是要设法控制并减少器件制造工艺过程中的Na+沾污；其次，由于要根本避免Na+沾污几乎不可能，那么对于已经存在于SiO2中的Na+应该设法使其固定在空气-SiO2或金属-SiO2界面附近，以减弱它们的不良影响；还有就是芯片完成后，再采取制备钝化膜来保护管芯的措施，以阻挡Na+的重新沾污。Na+来源广泛，要完全避免非常困难。由于高纯化学试剂、高纯水和高等级净化环境的广泛采用，一般认为Na+的主要来源是高温氧化/扩散炉石英炉管表面的沾污造成的，应该经常保持石英炉管的清洁以减少Na+沾污。清洁石英炉管的方法之一是在炉管内通入HCl。实践表明，采用HCl处理效果明显，SiO2的Na+沾污可以降低一个数量级。对已经存在于SiO2中的Na+，要尽量减少其可动性。采用所谓“磷处理”能达到这种目的。把金属化后的硅片在POCl3气氛中进行合金，从而在SiO2外表面形成磷硅玻璃。磷硅玻璃具有“吸取”SiO2中Na+并且阻挡外界Na+沾污的双重作用。另外还可以制备钝化层以防止可动电荷Na+的沾污，Si3N4具有比磷硅玻璃更强的阻挡外界Na+和吸收SiO2中已经存在的Na+的作用。通过采用Si3N4-SiO2-Si多层结构，可以降低Si3N4直接代替SiO2所带来的高界面态密度和陷阱等缺陷的影响。在表面能级中可以定出一个能量确定值Es，当电子填充的能级达到Es时，表面恰好呈中性。如果原先半导体的费米能级比Es高，为达到平衡必然有电子从体内运动至表面，表面能级上的这些负电荷所产生的电场又作用在半导体表面层上，使半导体表面附近的能带向上弯曲形成正空间电荷，表面能级中的负电荷与半导体表面层形成的正空间电荷的数量在达到平衡时完全相等。如果表面能级密度很大，在EF略高于Es时表面能级中就填入很多负电荷，这样在达到平衡后EF与Es接近，而电子填充前的EF与Es之差大约就是半导体表面附近能带上弯高度。与此类似当Es高于半导体体内EF时，表面能级中出现正电荷，因此表面附近出现能带下弯，产生负的空间电荷。上述情形分别示于图5.4(a)、(b)中。图5.4半导体表面与体内交换电子引起的能带弯曲情况

说明：对于图5.4(a)中表面能级接受体内电子、能级上弯的情况，n型样品的近表面区域导带底Ec距EF的距离要比体内大，同时EF距价带顶Ev比体内更近，也就是近表面区域电子减少而空穴增多(多数载流子耗尽)，甚至可以出现该区域转化为p型(反型)的情形。如果原来就是p型样品，那么能带上弯导致近表面区域空穴浓度更大，从而使表面层变为p+层(多数载流子积累)。对于图5.4(b)所示的表面能级带正电、能带下弯的情况，那么p型样品在近表面区域其EF距价带顶Ev的距离就有可能比距导带底Ec的距离更远，这样该区域电子浓度大于空穴浓度，呈现n型反型层。对n型样品则由于能带下弯将使近表面区域电子增多，呈现n+表面层(多数载流子积累)。通常氧化层中的带电中心均为带正电的离子，受其作用表面能带要向下弯曲，因此氧化层下半导体表面的实际情况与图

5.4(b)所示的情况类似。