半导体表面与MIS结构

1、半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1 1页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 第八章、半导体表面与第八章、半导体表面与MIS结构结构 本章讨论表面特性和另一种半导体结构，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。结构。以及表面电场、电容特性。 主要内容主要内容 表面态 MIS结构概述 表面电场效应和MIS电容 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第2 2页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 8.1 8.1表面态表面态 理想表面理想表面：表面层中原子排列的对称性与体

2、内原子完全相同，：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。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：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，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，或引起附加能级，称为表面能级，或表面态表面态。也叫做。也叫做TammTamm能级。能级。 理想硅表面的面密度值与原子密度相同，为理想硅表面的面密度值与原子密度相同，为101015 15cm cm-3 -3。 。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第3 3页页 20201010

3、年年1212月月2323日星期四日星期四 实际表面受到多种因素的影响：实际表面受到多种因素的影响： 1 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、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。所固有的三维平移性受到破坏，表面发生再构现象。 2 2、表面粘污。、表面粘污。 3 3、表面氧化。对于硅来说，产生、表面氧化。对于硅来说，产生SiOSiO2 2。 产生产生SiOSiO2 2后，硅表面的悬挂健大部分被后，硅表面的悬挂健大部分被SiOSiO2 2所饱和，表面态密度所饱和，表面态密度 大大降低，但并不会降到零。大大降低，但并

4、不会降到零。 8.2 MIS8.2 MIS结构概述结构概述 MIS MIS器件具有易于驱动，是压控器件，控制器件具有易于驱动，是压控器件，控制MOSMOS器件工作，只器件工作，只 需提供电压，不需要太大电流，也就是不需要太大功率。需提供电压，不需要太大电流，也就是不需要太大功率。 MISMIS结构：是金属结构：是金属(Metal)(Metal)、氧化物、氧化物(Oxide)(Oxide)、半导体、半导体 (Semiconductor)(Semiconductor)三层构成，三层构成，MOSMOS是三层物质字头的缩写。是三层物质字头的缩写。 一、一、MOSMOS的工艺过程简介的工艺过程简介 半导

5、体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第4 4页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第5 5页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 一般将硅片称为衬底，金属层称为栅，生成氧代层的过程称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。为栅氧化。 在硅的热氧化过程中，氧原子是通过扩散，穿过已生成的在硅的热氧化过程中，氧原子是通过扩散，穿过已生成的 SiOSiO2 2层达到层达到SiOSiO2 2 -Si -Si界面继续和界面继续和SiSi反应，所以反应，所以S

6、i- SiOSi- SiO2 2界界 面不是绝对的断然分开，而是存在着面不是绝对的断然分开，而是存在着1010左右的过渡层，左右的过渡层， 在过渡层中在过渡层中SiOSiOx x的配比的配比x x在在1 12 2之间，是非理想的。之间，是非理想的。 二、二、Si- SiOSi- SiO2 2系统的性质系统的性质 实验发现，在实验发现，在Si- SiOSi- SiO2 2系统中，存在着多种形式的电荷和能系统中，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：量状态，一般可规纳为四种基本类型： 1. 1. 固定电荷固定电荷Q Qf f 主要存在于主要存在于Si- SiOSi- SiO2

7、 2界面附近，一般为正电荷，在外电场的界面附近，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作用下，这些电荷不会移动。固定电荷主要起源于Si- Si- SiOSiO2 2界面附近过剩的硅离子界面附近过剩的硅离子, ,提高氧化温度以及适当的退提高氧化温度以及适当的退 火都可以降低火都可以降低Q Qf f值。值。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第6 6页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 2.2.可动电荷可动电荷Q Qm m 主要分布在主要分布在SiOSiO2 2层中，一般为半径比较小的带正电的碱金属层中，一般为半径比

8、较小的带正电的碱金属 离子离子(Na+(Na+、K+K+、H+)H+)，最常见的是，最常见的是Na+Na+离子，它在离子，它在SiOSiO2 2中扩中扩 散系数和迁移率都比较大，在外电场作用下会在散系数和迁移率都比较大，在外电场作用下会在SiOSiO2 2中移中移 动。动。 Na+Na+离子来源于化学试剂、离子来源于化学试剂、 玻璃器皿、炉管、石英舟、玻璃器皿、炉管、石英舟、 人体沾污等。采用含人体沾污等。采用含ClCl的的 氧化工艺，可以使氧化工艺，可以使SiOSiO2 2层中层中 可动离子的含量降低。可动离子的含量降低。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第7 7页

9、页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 3.3.界面态电荷界面态电荷( (界面陷阱电荷界面陷阱电荷) ) Q Qit it 界面陷阱是指界面态，指存在于界面陷阱是指界面态，指存在于Si-SiOSi-SiO2 2 界面处界面处( (距距Si Si 表面表面3 35 5以内以内) )能量位于禁带中的电子态。界面态有点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，结构为类似于表面态，在过渡区中，结构为SiOSiOx x，是非理想化，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

10、为负电中心，起受主作用；亦电子：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受主表面能级和施主表面应的界面能级是禁带中的一些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。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

11、态电荷时，便产生了界面态电荷QitQit。减少界面态的方法是在形。减少界面态的方法是在形 成气体成气体( 90%N( 90%N2 2+10%H+10%H2 2 ) )中退火，用氢来饱和悬挂键。中退火，用氢来饱和悬挂键。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第8 8页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 4. 4. 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷QotQot 在在SiOSiO2 2层中，存在一些电子和空穴陷层中，存在一些电子和空穴陷 阱，它们与杂质和缺陷有关。阱，它们与杂质和缺陷有关。 由于由于x x射线或射线或射线的辐射、或是在射线的辐射、或是在 氧

12、化层中发生了雪崩击穿，都会在氧化层中发生了雪崩击穿，都会在 SiOSiO2 2层中产生电子层中产生电子- -空穴对，如果氧空穴对，如果氧 化层中没有电场，电子和空穴将复化层中没有电场，电子和空穴将复 合掉，不会产生净电荷，氧化层中存合掉，不会产生净电荷，氧化层中存 在电场时，由于电子可以在在电场时，由于电子可以在SiOSiO2 2中中 移动，可以移动到电极上，而空穴在移动，可以移动到电极上，而空穴在 SiOSiO2 2 中很难移动，可能陷于这些陷中很难移动，可能陷于这些陷 阱中，成为正的陷阱电荷。辐照感应阱中，成为正的陷阱电荷。辐照感应 的空间电荷通过在的空间电荷通过在300 300 以上进行

13、退以上进行退 火，可以很快消去。火，可以很快消去。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第9 9页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 8.3 8.3 表面电场效应和表面电场效应和MOSMOS电容电容 一、表面电场效应一、表面电场效应 理想理想MOSMOS结构结构 功函数功函数(Work function)(Work function)：为费米能级到真空能级的差：为费米能级到真空能级的差。 亲和势亲和势(affinity)(affinity)：半导体导带底到真空能级的差：半导体导带底到真空能级的差. . 理想理想MOSMOS结构满足以下条件：结构满

14、足以下条件： 金属与半导体之间功函数差为金属与半导体之间功函数差为0 0； 在在SiOSiO2 2层中没有任何电荷并且完全不导电；层中没有任何电荷并且完全不导电； Si-SiOSi-SiO2 2界面处不存在任何界面态。界面处不存在任何界面态。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1010页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 电场作用下的理想电场作用下的理想MOSMOS结构结构 当理想当理想MOSMOS结构的栅压为结构的栅压为0 0时时 SiOSiO2 2层两侧也没有电荷；层两侧也没有电荷； 半导体的能带是平直的，半导体的能带是平直的， 空间沿空

15、间沿x x轴方向没有电位差，轴方向没有电位差， 如图所示，其中如图所示，其中E EC C、E EV V 分别为分别为SiOSiO2 2的导带底和价的导带底和价 带顶；带顶； 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1111页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 金属一侧加正电压，栅压金属一侧加正电压，栅压V Vg g00时：时： 1.SiO1.SiO2 2层两侧有电荷积累层两侧有电荷积累 栅压栅压V Vg g00时，则产生一个由金属指时，则产生一个由金属指 向半导体的电场，向半导体的电场，SiOSiO2 2是绝缘层，是绝缘层， 不能提供电荷来屏蔽这个

16、电场，于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。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，通常称之生电荷具有一定的厚度，通常称之 为表面空间电荷层，而称感生电荷为表面空间电荷层，而称感生电荷 为表面空间电荷，将其厚度记为为表面空间电荷，将其厚度记为d dsc sc， ， 电荷量记作电荷量记作Q Qsc sc 半导

17、体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1212页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 2.2.空间电荷层内的能带发生弯曲：空间电荷层内的能带发生弯曲： 加偏压的加偏压的MOSMOS结构，结构，有统一的费米能级有统一的费米能级， 在空间电荷层内，电场是逐渐被屏蔽在空间电荷层内，电场是逐渐被屏蔽 的，的，x=0处电场最强，处电场最强，x= dsc 处处电场减电场减 小到零；小到零； 与此相应，空间电荷层内的电势也随之与此相应，空间电荷层内的电势也随之 变化，变化，半导体表面与体内的电势差称半导体表面与体内的电势差称 为表面势，为表面势，记为记为Vs (Vs

18、=V(x=0)-V(x=dsc) 这样整个栅压这样整个栅压Vg,一部分落在了氧化层上一部分落在了氧化层上 称为称为Vi(Vi=V(x=-di)-V(x=0)，一部分，一部分 落在了半导体表面空间电荷区上，即落在了半导体表面空间电荷区上，即 Vs, 于是有：于是有：Vg=Vi+Vs 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1313页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 3.MOS3.MOS电容电容 存在栅压时，存在栅压时，MOSMOS结构中半导体表面感生出和金属栅极上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，等量的异号电荷；当栅

19、压变化时，SiOSiO2 2层两侧异号电荷的层两侧异号电荷的 数量发生相应的变化，这是一个电容效应。数量发生相应的变化，这是一个电容效应。 理想理想MOSMOS结构的电容由两部分组成，结构的电容由两部分组成，SiOSiO2 2层电容层电容C Ci i和半导和半导 体表面空间电荷层电容体表面空间电荷层电容C Cs s： si si si s sc i M M s M i si M g M CC CC CC dV Qd dV Qd Qd dV Qd dV dVdV Qd dV Qd C 11 1 11 1 1 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1414页页 2020101

20、0年年1212月月2323日星期四日星期四 从上述的定义看到，所说的从上述的定义看到，所说的MOSMOS电容实际上是一个微分电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。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，当直流偏压的极性和大小发生改变时，MOSMOS结构中半导体结构中半导体 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、耗尽导体表面荷电状态的不同，可

21、以分为积累、平带、耗尽 和反型四种情况。和反型四种情况。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1515页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 二、半导体表面为多子积累二、半导体表面为多子积累(accumulative)(accumulative)的的 情形情形 多子积累多子积累对应于：对应于： 衬底为衬底为P P型材料构成的型材料构成的MOSMOS结构结构(n-MOS)(n-MOS)V Vg g000； 以以P P型材料构成的型材料构成的n-MOSn-MOS结构为例进行介绍结构为例进行介绍 1.1.能带图和表面电荷能带图和表面电荷 当栅压当栅压V

22、 Vg g00时，时，VsVs00，半导体表面附近的能带向，半导体表面附近的能带向 上弯曲，在表面处的空穴浓度高于体内值，上弯曲，在表面处的空穴浓度高于体内值， 称为表面积累了空穴，而空穴是多子，又称称为表面积累了空穴，而空穴是多子，又称 为为多子积累多子积累。此时，半导体表面由于积累了。此时，半导体表面由于积累了 空穴，带正电，屏蔽栅金属中的负电荷；根空穴，带正电，屏蔽栅金属中的负电荷；根 据波尔兹曼分布，从体内向表面，空穴浓度据波尔兹曼分布，从体内向表面，空穴浓度 是指数增加的，因此积累的正电荷主要分布是指数增加的，因此积累的正电荷主要分布 在最靠近表面的薄层内；在最靠近表面的薄层内；Q

23、QM M= =Q Qsc sc， ，Q QM M为金属为金属 栅极上的电荷栅极上的电荷 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1616页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 从另一角度看，表面空穴浓度随表从另一角度看，表面空穴浓度随表 面势面势VsVs的变化为：在的变化为：在VgVg为比较大为比较大 的负值时，的负值时，VsVs也相应是负值，交也相应是负值，交 流小信号引起的微小的流小信号引起的微小的 VsVs变化变化 将引起很大的将引起很大的 p ps s的变化，从而的变化，从而 引起很大的引起很大的 Q Qsc sc的变化，因此， 的变化，因此

24、， Cs=dQCs=dQsc sc/dV /dVs s很大，比很大，比C Ci i大得多，大得多， 总电容为氧化层总电容为氧化层C Ci i与表面空间电与表面空间电 荷电容荷电容C Cs s的串联。的串联。 2.2.多子积累时的多子积累时的MOSMOS电容电容 由前面分析可知，由前面分析可知，在偏压在偏压Vg00； 衬底为衬底为N N型材料构成的型材料构成的MOSMOS结构结构(p-MOS)(p-MOS)，VgVg00 0 时，表面势相应地时，表面势相应地VsVs00，引起半导体表面能带向，引起半导体表面能带向 下弯曲：越接近表面，价带顶下弯曲：越接近表面，价带顶 离离E EF F 越远，价带

25、中空穴浓度越低；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。量等于金属栅极表面的正电荷量。 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第1919页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 2.2.多子耗尽时的多子耗尽时的MOSMOS电容电容 在正的直流偏压在正的直流偏压

26、Vg0 作用下作用下, 半导体表面为多子耗尽，电荷半导体表面为多子耗尽，电荷 为带负电的受主离子，电量为为带负电的受主离子，电量为Qsc，宽度为，宽度为dsc； 此时，若加上交流小信号，则随着此时，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，电表面和耗尽层边界进行，所以，电 容为一个厚度为容为一个厚度为di 的氧化层电容和的氧化层电容和 一个厚度为一个厚度为dsc 的空间电荷区电容的的空间电荷区电容的 串联，即串联，即 0 0i/di 与与 0 0i/dsc 的

27、串联。的串联。 直流偏压直流偏压Vg Vs dsc Cs Cs与与Ci串联后的串联后的MOS电容电容C 半导体物理学半导体物理学 北工大电控学院北工大电控学院 第第2020页页 20201010年年1212月月2323日星期四日星期四 1. 1.能带图和表面电荷能带图和表面电荷 当栅压进一步增大时当栅压进一步增大时V Vg g 0 0 ，VsVs进一步进一步 升高，表面处能带进一步向下弯，以升高，表面处能带进一步向下弯，以 至于出现至于出现: :导带底离导带底离E EF F 比价带顶离比价带顶离E EF F 更近，即，在表面处的电子浓度已超更近，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过空穴浓度，即在表面处电子成为多 子，表面附近的子，表面附近的P P型区变成了以电子型区变成