半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)

1、8PSGN-SiP+P-P+N+N+CMOS集成電路工藝集成電路工藝-以以P阱硅柵阱硅柵CMOS為例為例表面：固體與真空之間的分界面。表面：固體與真空之間的分界面。界面：不同相或不同類的物質(zhì)之間的分界面界面：不同相或不同類的物質(zhì)之間的分界面 。固體有限固體有限表面表面界面界面周圍的環(huán)境相互作用周圍的環(huán)境相互作用 物理和化學(xué)特性產(chǎn)生很大影響物理和化學(xué)特性產(chǎn)生很大影響 新興的多學(xué)科新興的多學(xué)科綜合性邊緣學(xué)科綜合性邊緣學(xué)科主要內(nèi)容主要內(nèi)容表面電場效應(yīng)表面電場效應(yīng)表面態(tài)表面態(tài)表面電導(dǎo)及遷移率表面電導(dǎo)及遷移率硅二氧化硅系統(tǒng)（了解）硅二氧化硅系統(tǒng)（了解）MIS結(jié)構(gòu)電容電壓特性結(jié)構(gòu)電容電壓特性清潔表面清潔表

2、面 ：一個沒有雜質(zhì)吸附和氧化層的實際表面一個沒有雜質(zhì)吸附和氧化層的實際表面真實表面真實表面：由于環(huán)境的影響，實際接觸的表面往往：由于環(huán)境的影響，實際接觸的表面往往生成氧化物或其他化合物，還可能有物理吸附層，生成氧化物或其他化合物，還可能有物理吸附層，甚至還有與表面接觸過的多種物體留下的痕跡。甚至還有與表面接觸過的多種物體留下的痕跡。 1.1.理想表面和實際表面理想表面和實際表面理想表面：表面層中原子排列的對稱性與體內(nèi)原子完全相同，理想表面：表面層中原子排列的對稱性與體內(nèi)原子完全相同， 且表面不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。且表面不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。實際表面實際表面清潔表

3、面清潔表面表面馳豫表面馳豫：沿垂直表面方向偏離平衡位置沿垂直表面方向偏離平衡位置 表面重構(gòu)：表面重構(gòu)：沿平行表面方向偏離平衡位置沿平行表面方向偏離平衡位置 總結(jié)：總結(jié)：“表面表面”并不是一個幾何面，而是指大塊晶體的三并不是一個幾何面，而是指大塊晶體的三維周期結(jié)構(gòu)與真空之間的維周期結(jié)構(gòu)與真空之間的過渡區(qū)過渡區(qū)，它包括了，它包括了所有不所有不具有體內(nèi)三維周期性的原子層。具有體內(nèi)三維周期性的原子層。硅理想表面示意圖硅理想表面示意圖表面能級示意圖表面能級示意圖一定條件下，每個表面原子在禁帶中對應(yīng)一個表面能級一定條件下，每個表面原子在禁帶中對應(yīng)一個表面能級2.2.表面態(tài)表面態(tài)體內(nèi)體內(nèi)：周期性勢場因晶體的

4、不完整性（雜質(zhì)原子或晶格缺陷）：周期性勢場因晶體的不完整性（雜質(zhì)原子或晶格缺陷） 的存在而受到破壞時，會在禁帶中出現(xiàn)附加能級。的存在而受到破壞時，會在禁帶中出現(xiàn)附加能級。表面表面：在垂直表面的方向上破壞了原來三維無限晶格的周期性：在垂直表面的方向上破壞了原來三維無限晶格的周期性 晶格電子的勢能在垂直表面的方向上不再存在平移對稱性晶格電子的勢能在垂直表面的方向上不再存在平移對稱性 哈密頓的本征值譜中出現(xiàn)了一些新的本征值哈密頓的本征值譜中出現(xiàn)了一些新的本征值附加電子能態(tài)（表面態(tài)）附加電子能態(tài)（表面態(tài)）形成機理：形成機理：達(dá)姆達(dá)姆(Tamm)表面態(tài)：晶格中斷引起，能量位于禁帶中（表面態(tài)：晶格中斷引起

5、，能量位于禁帶中（1932年），年）， 與雜質(zhì)能級相聯(lián)系的表面態(tài)與雜質(zhì)能級相聯(lián)系的表面態(tài)肖克萊肖克萊(shockley)表面態(tài)表面態(tài)：（源于原子能級）晶格常數(shù)小于某一數(shù)值（源于原子能級）晶格常數(shù)小于某一數(shù)值以至能帶發(fā)生交迭時才可能分裂出兩個位于禁帶當(dāng)中的定域于表面以至能帶發(fā)生交迭時才可能分裂出兩個位于禁帶當(dāng)中的定域于表面的能態(tài)（的能態(tài)（1939年）年）,與勢場在兩原子層中間突然終止相對應(yīng)與勢場在兩原子層中間突然終止相對應(yīng) 存在狀態(tài)：存在狀態(tài)：本本征表面態(tài)：即清潔表面的電子態(tài)，表面馳豫和表面重構(gòu)對表面電子征表面態(tài)：即清潔表面的電子態(tài)，表面馳豫和表面重構(gòu)對表面電子 態(tài)影響大（沒有外來雜質(zhì)）態(tài)影響大

6、（沒有外來雜質(zhì)）外誘表面態(tài)外誘表面態(tài) ：表面雜質(zhì)，吸附原子和其他不完整性產(chǎn)生：表面雜質(zhì)，吸附原子和其他不完整性產(chǎn)生表面態(tài)特性：表面態(tài)特性： 可以成為半導(dǎo)體少數(shù)載流子有效的產(chǎn)生和復(fù)合中心，決定了表面可以成為半導(dǎo)體少數(shù)載流子有效的產(chǎn)生和復(fù)合中心，決定了表面復(fù)合的特性。復(fù)合的特性。 對多數(shù)載流子起散射作用，降低表面遷移率，影響表面電導(dǎo)。對多數(shù)載流子起散射作用，降低表面遷移率，影響表面電導(dǎo)。 產(chǎn)生垂直半導(dǎo)體表面的電場，引起產(chǎn)生垂直半導(dǎo)體表面的電場，引起表面電場效應(yīng)表面電場效應(yīng)。 補充：補充：金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖（復(fù)習(xí)）金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖（復(fù)習(xí)）與電子作用：與電子作用：類施主態(tài)：空態(tài)時帶正電，

7、被一個電子占據(jù)后為中性的表面態(tài)類施主態(tài)：空態(tài)時帶正電，被一個電子占據(jù)后為中性的表面態(tài) 類受主態(tài)：空態(tài)時為中性，被一個電子占據(jù)后帶負(fù)電的表面態(tài)類受主態(tài)：空態(tài)時為中性，被一個電子占據(jù)后帶負(fù)電的表面態(tài) 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)功函數(shù)：金屬中的電子從金屬中逸出，需由外界供給它功函數(shù)：金屬中的電子從金屬中逸出，需由外界供給它 足夠的能量，這個能量的最低值被稱為功函數(shù)足夠的能量，這個能量的最低值被稱為功函數(shù) Wm = E0 - (EF)m金屬中的電子勢阱金屬中的電子勢阱 半導(dǎo)體的功函數(shù)和電子親和能半導(dǎo)體的功函數(shù)和電子親和能E E0 0為真空電子能級為真空電子能級 Ws = E0 - (EF

8、)s x = E0 - Ec Ws = x + Ec-(EF)s = x + EnEn = Ec- (EF)s電子親和能電子親和能1.1.表面電場的產(chǎn)生表面電場的產(chǎn)生表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子金屬與半導(dǎo)體接觸時，功函數(shù)不同，形成接觸電勢差金屬與半導(dǎo)體接觸時，功函數(shù)不同，形成接觸電勢差 半導(dǎo)體表面的氧化層或其它絕緣層中存在的各種電荷，半導(dǎo)體表面的氧化層或其它絕緣層中存在的各種電荷，絕緣層絕緣層 外表面吸附的離子外表面吸附的離子 MOS或或MIS 結(jié)構(gòu)中，在金屬柵極和半導(dǎo)體間施加電壓時結(jié)構(gòu)中，在金屬柵極和半導(dǎo)體間施加電壓時離子晶體的表面和晶粒間界離子晶體的表面和晶

9、粒間界2.2.空間電荷層和表面勢（金屬與半導(dǎo)體間加電壓）空間電荷層和表面勢（金屬與半導(dǎo)體間加電壓）外加表面電場外加表面電場空間電荷層空間電荷層空間電荷層：為了屏蔽表面電場的作用，半導(dǎo)體表面所形成有一定寬度空間電荷層：為了屏蔽表面電場的作用，半導(dǎo)體表面所形成有一定寬度的的“空間電荷層空間電荷層”或叫或叫“空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)”，其寬度從零點幾微米到幾個微，其寬度從零點幾微米到幾個微米。米。表面勢表面勢MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲假設(shè)：金半接觸的功函數(shù)差為零；絕緣層內(nèi)無電荷；假設(shè)：金半接觸的功函數(shù)差為零；絕緣層內(nèi)無電荷； 絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。

10、絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。表面電場和表面勢表面電場和表面勢注意研究的區(qū)域注意研究的區(qū)域金屬中自由電金屬中自由電荷密度高，電荷密度高，電荷分布在一個荷分布在一個原子層的厚度原子層的厚度自由載流子密度要低得多自由載流子密度要低得多表面勢表面勢：空間電荷層內(nèi)的電場從表面到體內(nèi)逐漸減弱直到為零，電勢發(fā)生：空間電荷層內(nèi)的電場從表面到體內(nèi)逐漸減弱直到為零，電勢發(fā)生相應(yīng)變化，電勢變化迭加在電子的電位能上，使得空間電荷層內(nèi)的能帶發(fā)相應(yīng)變化，電勢變化迭加在電子的電位能上，使得空間電荷層內(nèi)的能帶發(fā)生彎曲，生彎曲，“表面勢表面勢VS”就是為描述能帶變曲的方向和程度而引入的。就是為描述能帶變曲的方向和程度

11、而引入的。 TkxqVpxpTkxqVnxnss0s00s0expexp表面電場可以改變表面電導(dǎo)表面電場可以改變表面電導(dǎo)表面空間電荷層的電荷與表面空間電荷層的電荷與Vs有關(guān)，有關(guān)，表現(xiàn)出表現(xiàn)出電容效應(yīng)電容效應(yīng)l 表面電勢比內(nèi)部高時取正值。表面電勢比內(nèi)部高時取正值。l 表面勢及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加電壓表面勢及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加電壓VG而變化，分為而變化，分為堆積、耗盡和反型堆積、耗盡和反型三種情況。三種情況。l 由波耳茲曼統(tǒng)計，表面層載流子濃度由波耳茲曼統(tǒng)計，表面層載流子濃度ns、ps和體內(nèi)平衡載流子濃度和體內(nèi)平衡載流子濃度n0、p0的關(guān)系為

12、：的關(guān)系為： 理想理想MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（p型）型）在各種在各種VG下的表面勢和空間電荷分布下的表面勢和空間電荷分布（a）多子堆積；（）多子堆積；（b）多子耗盡；（）多子耗盡；（c）反型）反型VGV0VS（V0為絕緣層壓降）為絕緣層壓降）注意注意(1)(1)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（p p型）型）(2)(2)多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)(3)(3)少數(shù)載流子反型狀態(tài)少數(shù)載流子反型狀態(tài)VG0Vs0進(jìn)一步增加進(jìn)一步增加能帶進(jìn)一步下彎能帶進(jìn)一步下彎（EF高于高于Ei）電子濃度超過空穴濃度，反型層電子濃度超過空穴濃度，反型層（負(fù)電荷，電離受主、電子）（負(fù)電荷，電離受主、電子）VBVs

13、0Vs VB0qVB（ EiEF ）體內(nèi)勢）體內(nèi)勢VG0Vs0反型狀態(tài)反型狀態(tài) 弱反型：弱反型： ssp0pnp強反型：強反型： sps0ppn推導(dǎo)強反型的條件推導(dǎo)強反型的條件Vs2VB及及VB值（設(shè)非簡并條件下受主全部電離）值（設(shè)非簡并條件下受主全部電離）p型半導(dǎo)體表面反型時的能帶圖型半導(dǎo)體表面反型時的能帶圖n n型半導(dǎo)體如何討論！型半導(dǎo)體如何討論！弱反型弱反型強反型強反型KTqVpssenn0 020pnniKTqVpissepnn02 表面反型條件表面反型條件出現(xiàn)強反型的臨界條件，出現(xiàn)強反型的臨界條件，ns=pp0KTqVissenn22KTqVissenn2KTqViKTEEiBFie

14、nenp0KTqVKTqVBs2出現(xiàn)強反型,2BsVV 0penNKTqViAB又iABnNqKTVlniABSnNqKTVVln22強反型出強反型出現(xiàn)現(xiàn)BsVV 表面弱反型時iAsiAsnNqkTVnNqTkVln2ln表面強反型條件為表面弱反型條件為因此 p型硅中，型硅中，|QS| 與表面勢與表面勢Vs的關(guān)系的關(guān)系315Acm104N室溫下，求解泊松方程求解泊松方程表面層中電場強度表面層中電場強度Es、電勢、電勢高斯定理高斯定理s0rssEQsssVQC微分電容表面空間電荷層表面空間電荷層Vs向負(fù)值方向增大，向負(fù)值方向增大，Qs急劇增加急劇增加Es0，Qs0， C（平帶電容）（平帶電容）E

15、s，Qs正比于正比于(Vs)1/2弱反和強反變化不同弱反和強反變化不同表面電場，表面電荷和表面層電容都隨表面電場，表面電荷和表面層電容都隨VS指數(shù)增長指數(shù)增長 （強反型狀態(tài)（強反型狀態(tài)（VS2VB） ）反型層中電子濃度增加反型層中電子濃度增加隨隨VS指數(shù)增長的電子濃度完全屏蔽了其后繼續(xù)增長的外電場指數(shù)增長的電子濃度完全屏蔽了其后繼續(xù)增長的外電場 表面耗盡層的厚度將達(dá)到一個最大值，不再隨外電場增長而加寬表面耗盡層的厚度將達(dá)到一個最大值，不再隨外電場增長而加寬 表面出現(xiàn)的高電導(dǎo)層，形成了所謂表面出現(xiàn)的高電導(dǎo)層，形成了所謂“反型溝道反型溝道” (MOS晶體管工作依據(jù)晶體管工作依據(jù)) 總結(jié)：總結(jié)： 反

16、型（臨界）本征狀態(tài)耗盡（臨界）平帶狀態(tài)堆積VsVs0 Vs=VB0 VsVB0強反型強反型Vs2VBMOS器件器件平衡態(tài)：平衡態(tài)：（VG 不變或速率慢）不變或速率慢）(4)(4)深耗盡狀態(tài)深耗盡狀態(tài)施加幅度較大的正柵壓施加幅度較大的正柵壓形成反型層（形成反型層（穩(wěn)定穩(wěn)定）（過渡過程）（過渡過程） 深耗盡狀態(tài)深耗盡狀態(tài)加壓瞬間，電子來不及產(chǎn)生，無反型層加壓瞬間，電子來不及產(chǎn)生，無反型層寬度（隨正柵壓增大而增大）很寬的耗盡層中的寬度（隨正柵壓增大而增大）很寬的耗盡層中的電離受主補償金屬柵極大量正電荷（電中性要求）電離受主補償金屬柵極大量正電荷（電中性要求）Vs特別大，特別大，-qVs特別低，電子的

17、表面深勢阱特別低，電子的表面深勢阱不穩(wěn)定態(tài)不穩(wěn)定態(tài)表面電場表面電場幅度較幅度較大，大， 變化快變化快 少子來不及產(chǎn)生無反型層少子來不及產(chǎn)生無反型層 多子（空穴）進(jìn)一步向體內(nèi)多子（空穴）進(jìn)一步向體內(nèi) 深耗盡狀態(tài)深耗盡狀態(tài) （非平衡態(tài)）（非平衡態(tài)）CCD工作的基礎(chǔ)工作的基礎(chǔ)不穩(wěn)定態(tài)不穩(wěn)定態(tài)耗盡層中少數(shù)載流子濃度小于平衡濃度，產(chǎn)生率大于復(fù)合率，電子耗盡層中少數(shù)載流子濃度小于平衡濃度，產(chǎn)生率大于復(fù)合率，電子-空穴對產(chǎn)生空穴對產(chǎn)生電子和空穴分別向表面和體內(nèi)運動電子和空穴分別向表面和體內(nèi)運動空穴到達(dá)耗盡層與體內(nèi)中性區(qū)交界處，中和電離受主，空穴到達(dá)耗盡層與體內(nèi)中性區(qū)交界處，中和電離受主，耗盡層寬度減小耗盡層

18、寬度減小反型層形成反型層形成耗盡層寬度一定耗盡層寬度一定產(chǎn)生率等于復(fù)合率產(chǎn)生率等于復(fù)合率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)引入代表信息的電子電荷引入代表信息的電子電荷填充電子勢阱填充電子勢阱勢阱深度的減小與勢阱深度的減小與存儲的電荷量成正比存儲的電荷量成正比電子向表面運動電子向表面運動MOS柵極施加脈沖電壓時，能帶和相應(yīng)的勢阱變化柵極施加脈沖電壓時，能帶和相應(yīng)的勢阱變化電子表面深勢阱電子表面深勢阱非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)3.MOS3.MOS場效應(yīng)晶體管及場效應(yīng)晶體管及CCDCCD器件器件(1)(1)MOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管N溝道溝道MOS場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖（源）（源）（柵）（

19、柵）（漏）（漏）N溝道溝道SSD D：n n+ +-p-n-p-n+ +結(jié)，之間加電壓只有很小電流結(jié)，之間加電壓只有很小電流G G加外電場足夠強：加外電場足夠強：S S與與D D之間二氧化硅以下之間二氧化硅以下p p型硅出現(xiàn)反型層型硅出現(xiàn)反型層?xùn)艠O電場強度柵極電場強度溝道寬窄溝道寬窄調(diào)制半導(dǎo)體導(dǎo)電能力調(diào)制半導(dǎo)體導(dǎo)電能力1.1.理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性0s0s0GCQVVVVGsGMddddVQVQCMISMIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容sssdVdQC 令s0111CCCMIS結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)的等效電路l 耗盡狀態(tài)：耗盡狀態(tài)：VG增加，增加，x d增大增大，Cs減小，減小，

20、CD段段 Vs2VB時：時：EF段（低頻）段（低頻）l 高頻時：反型層中電子數(shù)量不能隨高頻信號而變，對電容無貢獻(xiàn)，高頻時：反型層中電子數(shù)量不能隨高頻信號而變，對電容無貢獻(xiàn)，還是由耗盡層的電荷變化決定（強反型達(dá)到還是由耗盡層的電荷變化決定（強反型達(dá)到xdm不隨不隨VG變化，電容變化，電容保持最小值）；保持最小值）；GH段段MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-V曲線曲線l 絕對值較大時，絕對值較大時，CC0，AB段（半導(dǎo)體看成導(dǎo)通）段（半導(dǎo)體看成導(dǎo)通）l 絕對值較小時，隨絕對值較小時，隨V增加而減小，增加而減小，BC段段CFB（1）VG0理想理想MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V曲線（以曲線（以p型為例）型為例）頻率對頻率對

21、MIS的的C-V特性影響特性影響n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性2.2.金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-VC-V特性的影響特性的影響金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對對MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-V特性的影響特性的影響VG0 平帶情形平帶情形p型硅的功函數(shù)型硅的功函數(shù)金屬金屬Al電子從金屬流向半導(dǎo)體電子從金屬流向半導(dǎo)體產(chǎn)生指向半導(dǎo)體的內(nèi)部電場產(chǎn)生指向半導(dǎo)體的內(nèi)部電場達(dá)到平衡，費米能級相等達(dá)到平衡，費米能級相等qWWVmsms施加平帶電壓施加平帶電壓,抵消功函數(shù)不同產(chǎn)生的電場和能帶彎曲抵消功函數(shù)不同產(chǎn)生的電場和能帶彎曲VFBVms功函數(shù)對功函數(shù)對C-V特性曲線的影響特性曲線的影響qWWVmsms 絕緣層中薄層電荷的影響絕緣層中薄層電荷的影響VG0 平帶情形平帶情形3.3.絕緣層中電荷對絕緣層中電荷對MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-VC-V特性的影響特性的影響同理，當(dāng)同理，當(dāng)MIS結(jié)構(gòu)的絕緣層中存在電荷時，同樣可引起結(jié)構(gòu)的絕緣層中存在電荷時，同樣可引起C-V曲線曲線沿電壓軸平移沿電壓軸平移VFB薄層電荷薄層電荷Q感應(yīng)感應(yīng)金屬表面、半導(dǎo)體金屬表面、半導(dǎo)體表面層符號相反電荷表面層符號相反電荷半導(dǎo)體空間電荷層產(chǎn)生電場半導(dǎo)體空間電荷層產(chǎn)生電場BST鐵電薄膜