半导体表面与MIS结构

1、第八章、半导体表面与MIS结构,本章讨论表面特性和另一种半导体结构，MIS结构。以及表面电场、电容特性。 目的：？,2010年12月23日星期四,第*1页,主要内容：,表面态 MOS (MIS)结构概述 表面电场效应和MOS电容,2010年12月23日星期四,第*2页,14.（20分）一P型半导体材料的理想结构，分别画出半导体表面出现积累、平带、耗尽、反型和强反型时能带图和费米能级，并给出每一状态对应的表面势条件。要减小强反型时空间电荷区的宽度，应如何选择半导体一侧的掺杂浓度，解释之。(2007) 6、MOS结构电容的主要构成是什么？(2006),2010年12月23日星期四,第*3页, 8.

2、1表面态 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，且表面上不附着任何原子或分子的半无限大晶体表面。 表面态：晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，引起附加能级，称为表面能级，或表面态。也叫做Tamm能级。 理想硅表面的面密度值与原子密度相同，为1015cm-3。,2010年12月23日星期四,第*4页,实际表面受到多种因素的影响： 1、表面层中，离子实受到的势场作用不同于晶体内部，使晶体所固有的三维平移性受到破坏，表面发生再构现象。 2、表面粘污。 3、表面氧化。对于硅来说，产生SiO2。 产生SiO2后，硅表面的悬挂健大部分被SiO2所饱和，表面态密度大大降低，但并不会

3、降到零。 8.2 MOS (MIS)结构概述 MOS器件具有易于驱动，是压控器件，控制MOS器件工作，只需提供电压，不需要太大电流，也就是不需要太大功率。 MOS结构：是金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor)三层构成，MOS是三层物质字头的缩写。 一、MOS的工艺过程简介,2010年12月23日星期四,第*5页,2010年12月23日星期四,第*6页,一般将硅片称为衬底，金属层称为栅，生成氧代层的过程称为栅氧化。 在硅的热氧化过程中，氧原子是通过扩散，穿过已生成的SiO2层达到SiO2 -Si界面继续和Si反应，所以Si- SiO2界面不是绝对的断然分开

4、，而是存在着10左右的过渡层，在过渡层中SiOx的配比x在12之间，是非理想的。 二、Si- SiO2系统的性质 实验发现，在Si- SiO2系统中，存在着多种形式的电荷和能量状态，一般可规纳为四种基本类型： 1. 固定电荷Qf 主要存在于Si- SiO2界面附近，一般为正电荷，在外电场的作用下，这些电荷不会移动。固定电荷主要起源于Si- SiO2界面附近过剩的硅离子,提高氧化温度以及适当的退火都可以降低Qf值。,2010年12月23日星期四,第*7页,2.可动电荷Qm 主要分布在SiO2层中，一般为半径比较小的带正电的碱金属离子(Na+、K+、H+)，最常见的是Na+离子，它在SiO2中扩散

5、系数和迁移率都比较大，在外电场作用下会在SiO2中移动。 Na+离子来源于化学试剂、 玻璃器皿、炉管、石英舟、 人体沾污等。采用含Cl的 氧化工艺，可以使SiO2层中 可动离子的含量降低。,2010年12月23日星期四,第*8页,3.界面态电荷(界面陷阱电荷) Qit 界面陷阱是指界面态，指存在于Si-SiO2 界面处(距Si 表面35以内)能量位于禁带中的电子态。界面态有点类似于表面态，在过渡区中，结构为SiOx，是非理想化学配比，出现一些未饱和的悬挂键，它们可与体内交换电子：可以得到电子，成为负电中心，起受主作用；亦可失去电子，成为正电中心，起施主作用；与悬挂键对应的界面能级是禁带中的一些

6、受主表面能级和施主表面能级，这类界面态称为本征界面态；还有一类界面态是由界面处的杂质离子以及各种缺陷引起的，称为非本征界面态。 当施主界面态或受主界面态由于和体内交换电子而电离时，便产生了界面态电荷Qit。减少界面态的方法是在形成气体( 90%N2+10%H2 )中退火，用氢来饱和悬挂键。,2010年12月23日星期四,第*9页,4. 氧化层陷阱电荷Qot 在SiO2层中，存在一些电子和空穴陷 阱，它们与杂质和缺陷有关。 由于x射线或射线的辐射、或是在 氧化层中发生了雪崩击穿，都会在 SiO2层中产生电子-空穴对，如果氧 化层中没有电场，电子和空穴将复 合掉，不会产生净电荷，氧化层中存 在电场

7、时，由于电子可以在SiO2中 移动，可以移动到电极上，而空穴在 SiO2 中很难移动，可能陷于这些陷 阱中，成为正的陷阱电荷。辐照感应 的空间电荷通过在300 以上进行退 火，可以很快消去。,2010年12月23日星期四,第*10页,8.3 表面电场效应和MOS电容 一、表面电场效应 理想MOS结构 功函数(Work function)：为费米能级到真空能级的差。 亲和势(affinity)：半导体导带底到真空能级的差. 理想MOS结构满足以下条件： 金属与半导体之间功函数差为0； 在SiO2层中没有任何电荷并且完全不导电； Si-SiO2界面处不存在任何界面态。,2010年12月23日星期四

8、,第*11页,电场作用下的理想MOS结构 当理想MOS结构的栅压为0时 SiO2层两侧也没有电荷； 半导体的能带是平直的， 空间沿x轴方向没有电位差， 如图所示，其中EC、EV 分别为SiO2的导带底和价 带顶；,2010年12月23日星期四,第*12页,金属一侧加正电压，栅压Vg0时： 1.SiO2层两侧有电荷积累 栅压Vg0时，则产生一个由金属指向半导体的电场，SiO2是绝缘层，不能提供电荷来屏蔽这个电场，于是电场将深入到半导体表面，在半导体表面感生一个负电荷的空间电荷层，以屏蔽金属极板上的正电荷。 由于半导体中的载流子浓度比金属中的电子浓度低得多，因此这层感生电荷具有一定的厚度，通常称之

9、为表面空间电荷层，而称感生电荷为表面空间电荷，将其厚度记为dsc，电荷量记作Qsc,2010年12月23日星期四,第*13页,2.空间电荷层内的能带发生弯曲： 加偏压的MOS结构，有统一的费米能级，在空间电荷层内，电场是逐渐被屏蔽的，x=0处电场最强，x= dsc 处电场减小到零； 与此相应，空间电荷层内的电势也随之变化，半导体表面与体内的电势差称为表面势，记为Vs (Vs=V(x=0)-V(x=dsc) 这样整个栅压Vg,一部分落在了氧化层上称为Vi(Vi=V(x=-di)-V(x=0)，一部分落在了半导体表面空间电荷区上，即Vs, 于是有：Vg=Vi+Vs,2010年12月23日星期四,第

10、*14页,3.MOS电容 存在栅压时，MOS结构中半导体表面感生出和金属栅极上等量的异号电荷；当栅压变化时，SiO2层两侧异号电荷的数量发生相应的变化，这是一个电容效应。 理想MOS结构的电容由两部分组成，SiO2层电容Ci和半导体表面空间电荷层电容Cs：,2010年12月23日星期四,第*15页,从上述的定义看到，所说的MOS电容实际上是一个微分电容，其测量是在一直流偏压的基础上，叠加一个交流小信号电压，根据测出的电流算出电容量。 当直流偏压的极性和大小发生改变时，MOS结构中半导体的表面势及空间电荷的大小和种类都发生改变，根据半导体表面荷电状态的不同，可以分为积累、平带、耗尽和反型四种情况

11、。,2010年12月23日星期四,第*16页,二、半导体表面为多子积累(accumulative)的情形 多子积累对应于： 衬底为P型材料构成的MOS结构(n-MOS)Vg0； 以P型材料构成的n-MOS结构为例进行介绍 1.能带图和表面电荷 当栅压Vg0时，Vs0，引起半导体表面能带向下弯曲：越接近表面，价带顶 离EF 越远，价带中空穴浓度越低； 根据波尔兹曼分布，表面处的空穴浓度 比体内要低得多，可以认为基本上耗尽 了，这样，由于空穴的耗尽而使表面层 内受主离子得不到中和而带负电，电荷 量等于金属栅极表面的正电荷量。,2010年12月23日星期四,第*20页,2.多子耗尽时的MOS电容 在

12、正的直流偏压Vg0 作用下, 半导体表面为多子耗尽，电荷为带负电的受主离子，电量为Qsc，宽度为dsc； 此时，若加上交流小信号，则随着 小信号的变大变小，耗尽层也相应 展宽缩小，此时的充、放电在金属 表面和耗尽层边界进行，所以，电 容为一个厚度为di 的氧化层电容和 一个厚度为dsc 的空间电荷区电容的 串联，即00i/di 与00i/dsc 的串联。 直流偏压Vg Vs dsc Cs Cs与Ci串联后的MOS电容C ,2010年12月23日星期四,第*21页,1.能带图和表面电荷 当栅压进一步增大时Vg 0 ，Vs进一步升高，表面处能带进一步向下弯，以至于出现:导带底离EF 比价带顶离EF

13、 更近，即，在表面处的电子浓度已超过空穴浓度，即在表面处电子成为多子，表面附近的P型区变成了以电子导电为主的N型层，所以称其为反型层。,五、半导体表面反型的情形 表面反型(inversin)对应于： 衬底为P型材料构成的MOS结构(n-MOS)，Vg 0； 衬底为N型材料构成的MOS结构(p-MOS)，Vg106Hz)，反型层中少子的产生过程无法跟得上外栅压Vg变化，反型层就得不到电子，浓度的变化也就无法跟上外电压Vg变化，这时充、放电的空穴电流就是使得空间耗尽区的宽度不断地变化，也就是说，此时充放电在金属栅板上和耗尽区边界dscmax附近进行，那么，显然高频交流小信号测得的电容应该是氧化层电容Ci与半导体表面电容Csmin的串联,2010年12月23日星期四,第*32页,2010年12月23日星期四,第*33页,总结起来，在不同的直流栅偏压Vg下，P型半导体构成的n-MOS结构的微分电容，即C-V 特性，如下图所示； 类似的分析可以得到N型半导体构成的p-MOS结构的C-V 特性,2010年12月23日星期四,第*34页,作业： 1、什么是理想MOS结构？什么是n-MOS