半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)總結(jié)

半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)總結(jié)第1頁/共75頁半導(dǎo)體表面問題在微電子技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中越來越顯得關(guān)鍵和重要，其原因有三點(diǎn)：1、半導(dǎo)體表面的狀態(tài)可以嚴(yán)重地影響半導(dǎo)體器件的性能，特別是影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。2、利用半導(dǎo)體表面特有的效應(yīng)研制出了許多非常重要的新器件，例如MOS器件，CCD器件等。3、隨著微電子制造技術(shù)的進(jìn)步，薄膜型器件不斷涌現(xiàn)，在薄膜型器件中，表面效應(yīng)及表面性質(zhì)起著決定性的作用。第2頁/共75頁表、界面的定義表、界面是指由一個(gè)相到另一個(gè)相的過渡區(qū)域。表、界面通?？梢苑譃橐韵挛孱悾汗獭?dú)狻⒁骸獨(dú)?、固—液、液—液、固—固氣體和氣體之間總是均相體系，因此不存在表、界面。習(xí)慣上把凝聚相與氣相之間的分界面（固—?dú)狻⒁骸獨(dú)猓┓Q為表面，而把凝聚相之間的分界面（固—液、液—液、固—固）稱為界面。第3頁/共75頁物理表面第4頁/共75頁物理表面第5頁/共75頁材料表面第6頁/共75頁§8.1表面態(tài)理想表面：表面層中原子排列有序、對(duì)稱與體內(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。實(shí)際表面：往往存在氧化膜或附著其他分子或原子，這使得表面分析更加復(fù)雜難以弄清楚。表面態(tài)：晶格周期性在表面處中斷或其它因素而引起的局（定）域在表面附近的電子狀態(tài)。理想表面上形成的表面態(tài)稱為達(dá)姆表面態(tài)。表面能級(jí)：與表面態(tài)相應(yīng)的能級(jí)稱為表面能級(jí)。分布在禁帶內(nèi)的表面能級(jí)，彼此靠得很近，形成準(zhǔn)連續(xù)的分布。第7頁/共75頁對(duì)于理想表面的問題求解，需要建立薛定諤方程，利用具體的邊界條件對(duì)波函數(shù)加以求解。對(duì)于硅表面態(tài)：表面最外層每個(gè)硅原子有一個(gè)未配對(duì)電子，有一個(gè)未飽和鍵，稱為懸掛鍵，由于每平方厘米表面有1015個(gè)原子，相應(yīng)懸掛鍵亦有1015個(gè)，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在量級(jí)上相符合。第8頁/共75頁對(duì)于表面能級(jí)，和半導(dǎo)體內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷能級(jí)相類似，也分為施主類型和受主類型，但對(duì)于其在禁帶中的分布，目前還沒有得出一致結(jié)論。

半導(dǎo)體表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)，向?qū)峁╇娮雍笞兂烧姾?，表面帶正電；若表面態(tài)為受主態(tài)，可以獲得電子，表面帶負(fù)電。

表面附近可移動(dòng)電荷會(huì)重新分布，形成空間電荷區(qū)和表面勢(shì)（Vs），而使表面層中的能帶發(fā)生變化。第9頁/共75頁§8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)多子積累狀態(tài)耗盡狀態(tài)反型狀態(tài)第10頁/共75頁理想MIS結(jié)構(gòu)的四個(gè)要求：（1）金屬和半導(dǎo)體不存在功函數(shù)差，即：Wm=Ws；（2）絕緣層內(nèi)無電荷：QI=0，且絕緣層不導(dǎo)電：IL=0；（3）絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)Qss=0;（4）由均勻半導(dǎo)體構(gòu)成，無邊緣電場(chǎng)效應(yīng)。金屬柵電極絕緣層VGVGC0Cs半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)等效電路EcEFEV

金屬半導(dǎo)體第11頁/共75頁表面電荷層MIS結(jié)構(gòu)外加偏壓之后，在絕緣層一側(cè)的半導(dǎo)體表面附近形成的電荷區(qū)稱為表面電荷層。在表面電荷層內(nèi)，從表面到內(nèi)部電場(chǎng)逐漸減弱，到另一端場(chǎng)強(qiáng)減小到零。表面勢(shì)(Vs)

半導(dǎo)體表面電荷層兩端的電勢(shì)差稱為表面勢(shì)。

規(guī)定：表面電勢(shì)比體內(nèi)高時(shí)，Vs取正值；表面電勢(shì)比體內(nèi)低時(shí)，Vs取負(fù)值。第12頁/共75頁理想MIS系統(tǒng)定性分析（以P類型為例）

-堆積、耗盡、反型VBVB為費(fèi)米電勢(shì)，決定半導(dǎo)體的類型及程度第13頁/共75頁ECEVEiEFsVG<0QsQmP型半導(dǎo)體（1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（1）能帶向上彎曲并接近EF；（2）多子在半導(dǎo)體表面積累，越接近半導(dǎo)體表面多子濃度越高。特征qVGEFm第14頁/共75頁得知，隨著表面處的Ei相對(duì)于內(nèi)部上升則表面處的空穴濃度亦隨之升高，稱此時(shí)P型半導(dǎo)體空穴發(fā)生堆積現(xiàn)象。由空穴濃度半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度空穴隨位置分布半導(dǎo)體表面處堆積的空穴金屬表面處堆積的電子第15頁/共75頁（2）多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)QsQm（1）表面能帶向下彎曲；（2）表面上的多子濃度遠(yuǎn)少于體內(nèi)，基本上耗盡，表面帶負(fù)電。特征ECEVEiEFsVG>0xP型半導(dǎo)體xdqVG第16頁/共75頁在表面處低于半導(dǎo)體內(nèi)部值EFm第17頁/共75頁（3）少數(shù)載流子反型狀態(tài)QnQm（1）表面能帶向下彎曲；（2）表面上的多子濃度遠(yuǎn)少于體內(nèi)，基本上耗盡，表面帶負(fù)電。（1）Ei與EF在表面處相交；（2）表面區(qū)的少子數(shù)大于多子數(shù)——表面反型；（3）反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。特征ECEVEiEFsVG>>0xP型半導(dǎo)體xdm第18頁/共75頁此時(shí)，半導(dǎo)體空間電荷層處于臨界強(qiáng)反型。在強(qiáng)反型條件下第19頁/共75頁金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)壓，多子堆積。金屬與半導(dǎo)體間加不太高的正壓，多子耗盡。金屬與半導(dǎo)體間加高正壓，少子反型。（4）P型半導(dǎo)體的堆積、耗盡、反型第20頁/共75頁理想MIS結(jié)構(gòu)的定量分析-表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)及電容第21頁/共75頁第22頁/共75頁第23頁/共75頁第24頁/共75頁第25頁/共75頁第26頁/共75頁第27頁/共75頁第28頁/共75頁第29頁/共75頁第30頁/共75頁Vs=2VB時(shí)，金屬板上加的電壓習(xí)慣上稱作開啟電壓，用VT表示。第31頁/共75頁當(dāng)反型層的厚度小到與電子的德布羅意波長相比擬時(shí)，反型電子處于量子阱中。此時(shí)反型電子沿垂直界面方向的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了量子化，對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)發(fā)生分裂，形成不連續(xù)的電子能級(jí)，但電子沿平行于界面方向的運(yùn)動(dòng)則不受約束。把這種電子稱為二維電子氣。第32頁/共75頁第33頁/共75頁第34頁/共75頁第35頁/共75頁§8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性§8.3.1

理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性金屬柵電極絕緣層VGVGC0Cs半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)等效電路1.理想情況即假設(shè)：⑴不考慮功函數(shù)的影響；⑵忽略絕緣層中的電荷；⑶忽略表面態(tài)的影響；⑷假定絕緣層完全不導(dǎo)電。討論MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性時(shí)，都以單位表面積的電容為準(zhǔn)，以P型半導(dǎo)體為例。第36頁/共75頁理想的MIS結(jié)構(gòu)的電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體空間電荷層電容的串聯(lián)。第37頁/共75頁第38頁/共75頁第39頁/共75頁第40頁/共75頁第41頁/共75頁第42頁/共75頁§8.3.2功函數(shù)對(duì)C-V特性的影響第43頁/共75頁第44頁/共75頁§8.3.3絕緣層中電荷對(duì)C-V特性的影響在實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)中，其絕緣層中存在有電荷（通常為正電荷），存在的電荷必然對(duì)MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性產(chǎn)生影響，使半導(dǎo)體表面能帶發(fā)生彎曲，同樣引起C-V曲線沿電壓軸平移。為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須在MIS結(jié)構(gòu)上加一定的偏壓。第45頁/共75頁第46頁/共75頁第47頁/共75頁§8.4Si-SiO2系統(tǒng)Si-SiO2系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關(guān)，其主要的帶電形式有：可動(dòng)離子：主要是帶正電的Na+、K+、Li+、H+正離子；固定電荷：位于Si-SiO2界面附近200?處；界面態(tài)：Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶；電離陷阱電荷：由Ｘ射線、γ射線、電子射線等引起的電荷。第48頁/共75頁§8.4.1可動(dòng)離子第49頁/共75頁§8.4.2固定表面電荷特征：這種電荷不能進(jìn)行充放電，密度用Qfc表示。位于Si-SiO2界面20nm范圍以內(nèi)；Qfc不明顯受到氧化層厚度或硅中的雜質(zhì)類型及濃度的影響；Qfc與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系。第50頁/共75頁§8.4.3界面態(tài)第51頁/共75頁第52頁/共75頁第53頁/共75頁界面態(tài)不僅可以使表面勢(shì)發(fā)生變化，影響器件性能，還可以起復(fù)合中心的作用，特別是在表面層出現(xiàn)耗盡層時(shí)，會(huì)使表面復(fù)合中心的作用變得特別有效。因此，盡量減少界面態(tài)是很重要的。第54頁/共75頁§8.4.4陷阱電荷第55頁/共75頁§8.5表面電導(dǎo)及表面遷移率§8.5.1

表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)的定義：表面電導(dǎo)是指在半導(dǎo)體表面層內(nèi)沿平行于表面方向的電導(dǎo)率。表面電導(dǎo)的大小應(yīng)取決于表面層內(nèi)載流子的多少以及表面遷移率的大小。表面層中載流子的數(shù)目，取決于表面勢(shì)的大小，所以表面電導(dǎo)最終也取決于表面勢(shì)，或者說垂直于表面方向的電場(chǎng)對(duì)表面電導(dǎo)起著控制作用。第56頁/共75頁第57頁/共75頁第58頁/共75頁第59頁/共75頁§8.5.2

表面遷移率第60頁/共75頁理想表面：表面層中原子排列有序、對(duì)稱與體內(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。實(shí)際表面：往往存在氧化膜或附著其他分子或原子，這使得表面分析更加復(fù)雜難以弄清楚。表面態(tài)：晶格周期性在表面處中斷或其它因素而引起的局（定）域在表面附近的電子狀態(tài)。理想表面上形成的表面態(tài)稱為達(dá)姆表面態(tài)。表面能級(jí)：與表面態(tài)相應(yīng)的能級(jí)稱為表面能級(jí)。分布在禁帶內(nèi)的表面能級(jí)，彼此靠得很近，形成準(zhǔn)連續(xù)的分布。小結(jié)第61頁/共75頁小結(jié)表面電荷層MIS結(jié)構(gòu)外加偏壓之后，在絕緣層一側(cè)的半導(dǎo)體表面附近形成的電荷區(qū)稱為表面電荷層。在表面電荷層內(nèi)，從表面到內(nèi)部電場(chǎng)逐漸減弱，到另一端場(chǎng)強(qiáng)減小到零。表面勢(shì)(Vs)

半導(dǎo)體表面電荷層兩端的電勢(shì)差稱為表面勢(shì)。

規(guī)定：表面電勢(shì)比體內(nèi)高時(shí)，Vs取正值；表面電勢(shì)比體內(nèi)低時(shí)，Vs取負(fù)值。第62頁/共75頁理想MIS結(jié)構(gòu)的定量分析-表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)及電容小結(jié)第63頁/共75頁小結(jié)第64頁/共75頁理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性金屬柵電極絕緣層VGVGC0Cs半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)等效電路理想情況即假設(shè)：⑴不考慮功函數(shù)的影響；⑵忽略絕緣層中的電荷；⑶忽略表面態(tài)的影響；⑷假定絕緣層完全不導(dǎo)電。討論MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性時(shí)，都以單位表面積的電容為準(zhǔn)，以P型半導(dǎo)體為例。小結(jié)第65頁/共75頁Si-SiO2系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關(guān)，其主要的帶電形式有：可動(dòng)離子：主要是帶正電的Na+、K+、Li+、H+