半导体器件物理（第2版） 第4章 半导体表面特性

Si-SiO2系统及其特性充当选择性掺杂的掩蔽膜 MOS结构中的栅介质层CMOS工艺中器件有源区之间的场氧化隔离层 钝化保护膜等高纯硅粉多晶硅单晶硅Si-SiO2系统及其特性硅晶圆 覆有SiO2膜的晶圆通常称晶圆表面覆盖有一定厚度SiO2层的硅衬底为Si-SiO2系统。这个所谓的Si-SiO2系统，是指包括了通过热生长或外部沉积的SiO2膜层、Si-SiO2界面以及离开该界面一定深度的Si薄层。一般认为深至Si表面内部几个微米以内。

早期人们因对该系统特性缺乏研究，导致所制备的器件性能不稳定，严重时甚至失效，尤其以MOS器件表现得更为突出。Si-SiO2系统及其特性结晶状态下的SiO2

经过长期研究及实验发现，上述系统在Si-SiO2界面、SiO2膜层中，存在着一些严重影响器件性能的因素，即Si-SiO2系统中的各类电荷与能态。Si-SiO2系统及其特性SiO2结构Si-SiO2系统及其特性SiO2结构可动离子固定电荷辐射电离陷阱界面态Si衬底SiO2Na

H

Na

Si-SiO2系统及其特性SiO2膜层中的可动离子种类较多，但对硅器件影响较大的主要是碱金属离子，尤其是Na+。离子半径较小，在室温下，它在SiO2层中的迁移率就比较大，很容易发生移动。

在MOS晶体管中，

当施加了栅电压时，就会在MOS晶体管的栅介质中产生相应的电场，由于栅介质很薄，即使较低的栅电压，该电场往往就很强，从而导致钠离子漂移。Si-SiO2系统及其特性

这种漂移造成的直接后果往往就是使得MOS晶体管的阈值电压发生改变，并进而影响到器件的稳定性，这对电路的性能与参数产生了不利影响。封装过后的MOS晶体管Si-SiO2系统及其特性为使各类可动离子可能的沾污降至最低限度，生产中常常规定了严格的工艺规程。同时也采取了一些必要的工艺措施，例如掺氯氧化以及磷硅玻璃钝化等。操作人员的汗渍生产设备化学试剂、气体纯水Si-SiO2系统及其特性Si衬底SiO2Na

H

Na

在Si-SiO2界面附近二氧化硅一侧约100埃左右的距离内，存在着一些固定正电荷。它们与氧化层生长的厚度、衬底掺杂类型、掺杂浓度以及氧化层是否施加电场等因素无关，而且一般它们也不能与衬底硅交换电荷。过剩的硅离子（Si+）Si-SiO2系统及其特性固定电荷面密度常常与晶面指数有关，一般晶面原子面密度大的则对应的固定电荷面密度也较大，例如（111）面大于（100）面。固定电荷主要出现在热生长的SiO2层中，根据氧化反应动力学，反应是在Si-SiO2界面进行的。从这个角度看，固定电荷面密度由最终的氧化温度来决定，这也为实验所证实。工艺上控制固定电荷的方法主要是通过将晶圆放入氮气（N2）或氩气（Ar）气氛中进行退火，以此来有效地降低固定电荷面密度的数量级。实验表明，这样做可以获得良好的效果。Si-SiO2系统及其特性离子注入机台 离子注入机内部结构器件在制备或使用过程中，可能会受到诸如高能离子束、X射线、伽马射线等的轰击或辐射。这些高能粒子束或高能射线可能来自于半导体制造设备本身，例如离子注入机、蒸发台、等离子刻蚀台等。Si-SiO2系统及其特性或者外太空，例如人造卫星、航天器中的电子器件常常会面临宇宙射线的辐射。当晶圆或器件暴露在上述环境时，将可能在SiO2膜中激发电子-空穴对。人造卫星天宫空间站Si-SiO2系统及其特性实验发现，在上述过程中，电子会较快地离开SiO2膜层的内部，而空穴则常常被SiO2层中的陷阱所俘获。

热生长的SiO2膜一般是无定形结构，会存在较多的结构缺陷，因而使得这些缺陷陷进带上正电荷，这就是所谓的辐射电离陷阱。

工艺上，可通过退火措施来消除这些辐射电离陷阱。同时，在器件封装结构上也可采取防辐射加固措施，以确保器件免受外部辐射。通常，器件在内部结构形成以后，一方面除了根据设计需要形成金属电极及金属互连线外，还根据需要保护裸露的半导体表面免受杂质沾污，因此流片工艺过程中需要直接生长或沉积SiO2薄膜。Si-SiO2系统及其特性理想的Si半导体表面Si-SiO2系统及其特性界面态SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiOO OHSi

SiSi-SiO2界面

如果是热生长SiO2

薄膜，那么原先所说的半导体表面现在就成为了一种界面，Si-SiO2界面就是属于这种情形。

因此，这里提出的一种能态——界面态，常常与表面态有相同的含义。Si-SiO2界面状态以热生长SiO2膜为例，由于氧原子与硅原子发生化学反应是位于Si-SiO2界面处，因此，反应首先生成的SiO2层是位于相对外侧的，后续氧原子需要通过扩散，并穿过已生成的SiO2

膜层而到达Si-SiO2界面，才能完成后继的氧化反应。Si-SiO2系统及其特性Si-SiO2界面状态界面态SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiOHSi Si

O

OSi SiSi-SiO2界面Si-SiO2系统及其特性由于氧原子扩散的随机性，此反应温度常常较高，温度通常高于1000℃。一旦SiO2膜厚度达到规定要求，硅晶圆脱离反应环境，例如出炉，此反应通常就会立即停止。

因此，在位于Si-SiO2界面处，将不可避免地会存在相当数量的未饱和的共价键，即所谓的悬挂键。

硅晶圆加工时表面的机械微损伤层、吸附的外来离子等也增加了所谓悬挂键或界面态本身性质的复杂性。所谓的界面态往往只是指这一类物理位置位于界面的复杂电子能态的一个统称Si-SiO2系统及其特性正如上面已经描述的那样，它常常既可以表现为施主，也可以表现为受主，即可以向Si体内释放电子或者释放空穴，并以此来影响半导体Si-SiO2界面的带电状态。通过实验测定，从能量角度看，界面态能级一般也位于禁带中。Si-SiO2系统及其特性晶圆的晶向氧化炉温 退火工艺的选择工艺中装载晶圆的石英舟进出炉的速度均会对界面态面密度产生不同程度的影响通过适当的工艺控制，较好的情形是将界面态面密度控制在＜1010/cm2·eVMOS结构概述MOS是一个缩写，全称为Metal-Oxide-Semiconductor，即金属-氧化物-半导体。MOS便取自这三种材料所对应的英文单词的首字母。MOS是由金属、氧化物、半导体三种材料共同构成的三层结构。MOS结构概述MOS结构概述MOS晶体管① MOS晶体管的核心结构② 寄生MOS结构MOS结构概述MOS结构概述随着材料科学的进步，MOS结构中的Metal常被掺杂多晶硅和金属硅化物薄膜所取代，中间的氧化物也由二氧化硅逐渐发展为high-k介质，另外一端的半导体则仍以硅和砷化镓材料为主。沟槽型MOS双扩散D-MOS超级结SJ-MOS半导体制程中的清洗与钝化即整个晶圆制作工艺流程中的各工艺步骤实质上都是属于围绕光刻技术为核心而展开的一系列超微细图形转移加工技术；从而完成对芯片器件或电路的制作并使得该芯片能够具备某个客户所期望的某些特定功能。半导体制程中的清洗与钝化因为芯片上单个晶体管或者互连线的几何尺寸已进入纳米量级，实在太过微细，以至于人们肉眼根本就无法直接分辨它们，甚至于在一架普通的光学显微镜下面也都无法直接看到它们。对于半导体晶圆与芯片的超微细加工而言，清洗决不仅仅只是大家现实生活中所碰到的对待物品的一般性的清洁处理而已；而是必须根据晶圆在加工、传递、运输、储存等各环节可能受到的各类沾污，有针对性地采取各种去除沾污物与杂质的措施。半导体制程中的清洗与钝化半导体制程中的清洗与钝化晶圆表面沾污物的类型：颗粒有机残留物无机残留物需要去除的氧化层各类家具与木材表面往往需要刷上油漆，这除了好看与耐用之外，其根本目的也是为了防止日后它们在使用与储存过程中免受环境对它们的侵害，以确保它们正常使用性能的发挥。自硅平面工艺在上世纪六十年代引入以来，热生长SiO2薄膜对器件与电路性能的改善与稳定发挥了不可替代的作用。逐步发现器件表面漏电较大、击穿电压低以及许多其它器件性能及质量问题都直接与硅表面所覆盖的SiO2膜层有关。半导体制程中的清洗与钝化人们逐步认识到，SiO2膜并不是完全理想的钝化膜，因为它对H2O分子具有很强的亲合力，对其它气体分子也往往具有很高的渗透率，特别是如前所述对碱金属离子。Si3N4与Al2O3薄膜钝化技术应运而生，它们是众多钝化材料中比较典型与理想的两种材料，尤其是Si3N4薄膜，目前在硅晶圆工艺中应用比较普遍。半导体制程中的清洗与钝化定

义所谓理想的半导体表面是指原子完全有规则地排列且终止于同一个平面上。理想的半导体表面Si晶体，（100）晶面原子排列理想的半导体表面当从这个定义去考察晶圆的表面时，它应当是没有任何机械损伤、平整，也不存在任何晶体缺陷，即是一个洁净完整的表面。Si晶圆（wafer)成

品

S

i

晶圆

倘若仔细来观察这个洁净的表面，在表面处排列整齐的硅原子与体内及其左右相邻的硅原子会互相形成共价键。

位于表面处的硅原子显然存在一个未饱和的共价键，将其称之为“悬挂键”。该悬挂键对应一个电子状态，也称为表面态。理想的半导体表面理想的半导体表面

从能带的角度来看，该表面态能级一般位于禁带中。通常情形下，该表面态能级既可以表现为施主，也可以表现为受主，呈现出施主型表面态与受主型表面态两种情形。

即当它在与晶体内部交换载流子时，可以表现为释放出一个电子或者释放出一个空穴，从而使得表面态能级本身带上正电荷或者负电荷。定

义理论计算与实验测量得知，半导体晶面的原子面密度约在1015/cm2量级，据此推测，表面态密度也应当在此数量级。理想的半导体表面晶圆测试理想的半导体表面半导体晶体表面虽经仔细研磨、抛光与清洁处理，但仍然或多或少会存在少许缺陷、杂质、吸附离子以及不平整性。Si元素本身并非惰性元素，它具备良好的化学活性，能与多种化学元素特别是氧、氯、氮等元素发生化学反应。最常见的就是氧元素，从而形成一层天然的二氧化硅（SiO2）膜层，一般在十几埃量级，这也是自然界几乎不可能存在单质硅形态的直接原因。硅以化合物形态存在的另一种最常见的物质就是大家所熟知的硅酸盐。理想的半导体表面理想的半导体表面在晶圆整个加工制备，简称为流片的过程中，需确保晶圆裸露部分的硅表面尽量地保持洁净。制备好的硅器件表面也常常需要用绝缘介质膜保护起来，称之为钝化，以便使器件免受外来物质和离子的沾污，确保它在使用中具备良好的稳定性和可靠性。理想的半导体表面在Si表面形成介质薄膜可以有多种方法，其中最直接和最简单的方法就是热生长SiO2膜。SiO2膜在器件制备过程中具有多种特殊的用途，这是由其性质所决定的。如果硅表面生长了SiO2膜，那么在它表面大量的悬挂键就将被氧原子所包围，即被氧原子所饱和。这使得表面态密度大大降低，实验测得的表面态密度一般在1010~1012/cm2，这比理想硅表面低了很多。为确保器件性能，工艺上应使得表面态密度控制在一定范围之内。VG＞0当所施加的栅压VG＞0时，即栅极施加了一个正偏压，其电压值不是很高，例如1V以下。表面空间电荷区VG

0P

SixO xdVOX

S表面空间电荷区VG

0P

SixO xdVOX

S

金属栅极带有正电荷，

该栅压产生的电场穿过SiO2介质层，且其方向是由Si表面指向体内，此时位于Si表面处的空穴在电场力的作用下，将顺着电场方向运动，最后在Si表面处留下一薄层电离的受主负离子，即所谓的空间电荷区。表面空间电荷区VG

0P

SixO xdVOX

S耗尽层由于该空间电荷区主要是由受主负离子所构成的，故该区域电荷体密度近似等于掺杂受主杂质浓度NA。因为空间电荷区中的自由载流子数目很少，所以也将其称为耗尽层。它与PN结中的耗尽层相似，对应的这种状态称为耗尽状态。表面空间电荷区

在这种情形下，Si的表面势ψS＞0，因此，就有-qψS＜0，此时表面能带将向下弯曲，弯曲量为|-qψS|。电荷分布图见图所示。F

ME2Metal

SiOP

SiEcEiEFSEVOXqVSq

xd

(x)mQxQSCxdOVG＞＞0当所施加的栅压进一步上升，例如提高到1V以上，这时Si表面处的电场强度也将同时增强，且位于Si表面附近的为数不多的空穴数量将进一步降低，耗尽层范围继续扩大。表面空间电荷区Oxxd

maxVG

0耗尽层表面空间电荷区

P-Si衬底中的少子——电子受到电场力的作用，会向Si表面处运动，即逆电场方向运动，并在Si表面处积聚，由于这时Si的表面势ψS将进一步提高。Oxd

maxGV

0表面处能带向下弯曲也将更甚，也就是说，在这种情况下，Si表面处出现了与衬底导电类型相反的情况，即发生了反型。P

Six电子反型层表面空间电荷区这时，Si表面处费米能级EFS已位于禁带中央能级Ei之上。当Si表面处费米能级EFS与禁带中央能级Ei之差值

|EFS-Ei|

与体内的差值

|Ei-EFS|

相等时，即Si表面处发生了强反型。表面处反型层电子浓度与体内的空穴浓度在数量上将相等。EF

M

EFSEVEi

EcMetalSiO2P

Si

(x)QmxQSCxd

maxO表面势ψS的概念它表征了空间电荷区内电荷量的变化情况以及表面处能带的弯曲程度。它对于MOS结构以及MOS晶体管的阈值电压的计算也十分有用。表面势Oxxd

maxVG

0P

Si表面势以P-Si衬底为例，讨论表面势ψS与空间电荷区其它物理量之间的定量关系，方程及用图如图所示。其中，Xd为表面空间电荷区的宽度。εSd

2

φ ρ(x)dx2

Aρ(x)

qN2

εSdSx2φ

φ(0)

qN

AOxd

maxxVG

0

P

Si泊松方程其中S表面势φ

的表达式MOS结构中的Si-SiO2系统存在着多种复杂的电荷与能态；MOS结构的栅电极。表面空间电荷区与表面势以上这两个因素均会引起半导体表面状态即使在不施加外加栅电压的条件下就发生改变。理想MOS结构的条件：① Si-SiO2系统中不存在前述的三种性质的电荷及界面态；② 金属栅与衬底半导体材料之间的功函数相等。表面空间电荷区与表面势鉴于引用能带图在分析Si表面空间电荷区载流子状态变化时的便利性，下面将结合运用能带图来分析表面空间电荷区各种状态的变化情况。表面空间电荷区与表面势对于不同的栅压VG，表面空间电荷区存在四种状态：VG=0V 平带状态；VG<0V 多子积累状态；VG>0V 耗尽状态；VG>>0V 反型或强反型状态。MOS结构两端的电压为0，此时衬底Si表面不受任何电场作用，故不存在空间电荷区，因此体电荷密度分布ρ(x)=0，半导体表面能带是平直的。表面空间电荷区与表面势a. VG=0V

平带状态这时若把MOS结构看作为一个平行板电容器，则可以推测，在金属栅极的内侧就将积聚负电荷——电子，而在MOS结构的另一极即半导体衬底表面处将积聚正电荷——空穴。表面空间电荷区与表面势b. VG<0V

多子积累状态受电场力的作用，空穴将被吸引至Si表面处，而电子则将被排斥。当达到动态平衡时，空穴不再流动，并且会分布在一个很窄的薄层内，这个薄层厚度用xd表示，通常有xd<100埃。表面空间电荷区与表面势b. VG<0V

多子积累状态此时，受负栅压的作用，P-Si衬底的多数载流子——空穴趋于流向表面，形成一薄层空穴积累层。由于衬底基准电位为0，故表面势φs<0，表面处能带将向上弯曲，电荷分布见图。表面空间电荷区与表面势b. VG<0V

多子积累状态理想MOS结构的阈值电压VT理想MOS结构我们认为在栅氧层中不存在电荷，二氧化硅和硅的界面也不存在界面态，栅极和衬底的功函数相等。理想MOS结构的阈值电压VTP

SiOxxd

maxVG

VTQMQSCVOX

sVOXP-Si衬底的MOS结构理想MOS结构的阈值电压VTP

SiOxxd

maxVG

VTQMQSCVOX

sVOXP-Si衬底的MOS结构定义当P型Si半导体表面达到强反型，且反型层电子浓度等于衬底空穴（多子）浓度时，这时所施加的栅极电压VG称作该MOS结构的阈值电压，也称开启电压，用VT表示。理想MOS结构的阈值电压VTP

SiOxxd

maxQMQSCVOX

sVOXP-Si衬底的MOS结构OXTV

Vs

VG|恰好强反VG

VT其中

VOX：栅氧层上的压降φs

：表面势（半导体表面的压降）理想MOS结构的阈值电压VT栅--上极板氧化层--绝缘介质半导体表面空间电荷区--下级板P

Si理想MOS结构的阈值电压VT栅--上极板氧化层--绝缘介质半导体表面空间电荷区--下级板P

SiQVOX

SCCoxQSC：半导体表面空间电荷区的电荷密度oxC ：栅氧化层单位面积电容s A sSCQ

2q

N

oxtoxC

ox理想MOS结构的阈值电压VTP-Si衬底的MOS结构定义当P型Si半导体表面达到强反型，且反型层电子浓度等于衬底空穴（多子）浓度时，这时所施加的栅极电压VG称作该MOS结构的阈值电压，也称开启电压，用VT表示。P

SiOxxd

maxVG

VTQMQSC理想MOS结构的阈值电压VTP-Si衬底的MOS结构P

SiOxxd

maxVG

VTQMQSC强反型条件：

s

2

FFPiq nφ

kTlnN

A)1/

2TFP(4

ε

qN

φVC

S A FP

2

φOXVT

表达式为（P-Si衬底）：金属与半导体的功函数W功函数W

真空能级E0WEF电子金属或半导体材料真空电子

功函数W是指一个能量位于费米能级EF处的电子从金属或半导体内部逸出到真空中所需要给予它的最小能量

。定义式为：W

E0

EF金属与半导体的功函数WN型P型ND/cm-3101410151016NA/cm-3101410151016WS/eV4.374.314.25WS/eV4.874.934.992.

Si

材料在不同的掺杂浓度下的功函数WS（单位：eV）N型半导体中杂质浓度的增加，功函数逐渐减小金属与半导体的功函数WN型P型ND/cm-3101410151016NA/cm-3101410151016WS/eV4.374.314.25WS/eV4.874.934.992.

Si

材料在不同的掺杂浓度下的功函数WS（单位：eV）P型半导体的掺杂浓度越高，功函数反而会变大感谢观看功函数对阈值电压VT的影响AlSiO2P

SiEFSEVi

EEcEF

AlWAlWSVG

0VP

SiO xxdVOX

S

Al栅金属与半导体功函数差对VT的影响(a)

(b)图（a）所示是一个普通MOS结构的能带图。当用金属铝来做栅极时，由于铝的功函数较小（约为WAl=4.13eV），通常小于半导体的功函数。因此，即使不施加栅压，栅极也会与半导体衬底发生电子交换，见图（b）所示。功函数对阈值电压VT的影响EF

AlAl2SiOP

SiEiEFSEVEcqVOXSq

dxP

SiGV

'ms

(c)(d)图（c

）所示的是这种电子交换结束时，并且在达到新的平衡态时的能带图。当栅极金属功函数较小时，半导体表面能带通常向下弯曲。为使半导体表面能带变平，需要在栅极施加补偿电压VG’，如图（d）所示。数值上，

VG’=φms。考虑φms后，VT修正为下式(P-Si)。功函数对阈值电压VT的影响

1/

2sA FPTmsFPoxC4

ε qN

V

φ

表面态电荷密度QSS对VT的影响VG

0VP

SixdO xQSSF

AlEAl2SiOP

SiEcEiEFS

EVSq

栅氧化层中有效表面态电荷密度QSS对VT的影响图（e）显示了栅氧化层中各种正电荷以及Si-SiO2界面的界面态对半导体表面的影响，图中用有效表面态电荷密度QSS来等效，它位于Si-SiO2界面SiO2一侧，这样来等效，便于问题的处理。图（f）则显示了半导体表面受QSS作用后能带的弯曲情形。(e)

xd

(f)表面态电荷密度QSS对VT的影响P

SiOxGOXCV'

'

QSSAl SiO2P

SiiEFSEVEcEF

AlEWAl(g)

(h)图（g）显示了为平衡SiO2层中有效表面态电荷密度QSS对半导体表面的影响，施加补偿电压VG’

的情形。在数值上该补偿电压需满足：VG’

=－（QSS/Cox）。一般地，由于QSS>0，因此，有VG’

<0。图（h）则显示了这种补偿效果，这时半导体表面能带被拉平。表面态电荷密度QSS对VT的影响栅氧化层中有效表面态电荷密度QSS对VT的影响

1/

2TmsFPoxQ

CC4

εs qN

A

FPV

φ

SSOX

电荷耦合器件CCD1969年，美国贝尔实验室的两位科学家Willard

Boyle（韦拉德·博伊尔）和George

Smith（乔治·史密斯）发明了电荷耦合器件CCD——ChargeCoupled

Device。作为一种高分辨率的图像传感器，CCD器件拥有许多优异的性能。它广泛应用于电视摄像机、数码相机、扫描仪以及其它各类影像监视仪器中。它可直接将光信号转换为电信号，电信号再经过放大和模数转换，即可实现图像信号的采集、存储与传输。电荷耦合器件CCD电荷耦合器件CCDCCD器件具有以下特点：① 体积小、重量轻；② 工作电压与功耗较低，并且抗冲击与振动、性能稳定、寿命长；③ 灵敏度高、噪声低，信号动态范围大；④ 响应速度快，且有自扫描功能，图像畸变小；⑤ 集成度高，容易批量制造、成本低。电荷耦合器件CCDCCD器件的结构单元，是由一系列紧密排列的MOS电容所构成的。CCD结构单元就是所谓的MOS电容单元。在它工作时，光生电子能被收集在表面势阱中。CCD器件就是由这些彼此间隔极小的金属—氧化物—半导体电容阵列所构成的。电荷耦合器件CCD景物的影像光线产生电子-空穴对，对应地在VG端施加一正脉冲，从而产生一势阱。此时，空穴因带正电荷而被排斥走，电子带负电荷而被吸引进势阱中，这些电子被称为信息电荷，它反映了光照的强弱，并暂时被储存在所谓的电子势阱中，然后由序列栅脉冲将信息电荷所反映的影像信息传递理想MOS电容的C-V特性MOS电容VΔV直流偏压交流小信号

信号电流

igP-SiC(V)

dQ定义：dV或者近似Δ

QC(V)

ΔV半导体表面处于多子积累状态，电容值基本不变dxdΔ

x

Δ

QQ

Δ

QVGoxVφSP

SiSiO2Q1.

栅极直流偏压满足

VG<0;（以P-Si为衬底）理想MOS电容的C-V特性 2 εSiO

ε0oxoxtC(V

)

C

理想MOS电容的C-V特性2.

栅极直流偏压满足

0<VG<VTdxdΔ

x

Δ

QQ

Δ

QVGoxVφSP

Si2SiOQG

V

=V，V

Vox

φSdV

dVox

d

φSdQC(V)

C(V

)CoxCS

dVox

d

φS1 1

1因此则有设随着VG增加，表面空间电荷区厚度增大，Cs减小，MOS电容减小理想MOS电容的C-V特性GVCoxCs

C(V

)等效电路CS

满足SdCx

εSi

ε0εSi为硅的相对介电常数11.9，dx

为表面空间电荷区厚度。1C(V

)CoxCS

1

13.

栅极直流偏压满足

VG>VT理想MOS电容的C-V特性xdmΔ

xdΔ

QQ

Δ

QVGP

SiQ电子-空穴对产生理想MOS电容的C-V特性VGC

(V)CFBCox高频f

>1kHz低频

f

<

100Hzi)

高频情况

(f>1kHz)oxSioxCoxCoxε tC(V

)

Cox

CS

Cox

CS

C

1

εSiO2xdm1

C

S

ii)

低频情况(f<100Hz)oxC(V)

CCmin

10

8

6

4

2

O

2 4 6 8

10理想C-V特性曲线了解描述晶格的基本方法掌握晶向、晶面的概念和计算方法熟记常见的晶向和晶面010203

晶体是由晶胞周期性重复排列而成，整个晶体就像是网格，称为晶格。

组成晶体的原子或离子的中心位置称为格点，格点的总体称为点阵。一、描述晶格的基本方法XYZaa

bc

晶

轴按其晶胞的三维结构建立坐标轴；一般以晶格常数a作为晶轴的长度单位。一、描述晶格的基本方法二、晶向的概念与计算zybacl1x2ll3ORP

R

l1a

l2b

l3c若l1：l2：l3不是互质的，则要通过l1：l2：l3=

m：n：p化为互质整数，mnp就称为晶列指数，写作[mnp]，用来表示某个晶向。二、晶向的概念与计算XYZaa

R

aa

ab

aca

:

a

:

a

1

:

1

:

1三、晶面的概念与计算晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族，通常我们用晶面指数来表示晶面的不同取向。XYZa三、晶面的概念与计算首先确定该晶面在晶轴上的三个截距，并以晶格常数为单位表示截距值。然后取截距的倒数，并化简成最简单的整数比。最后将此结果以“(hkl)”表示，即为此平面的晶面指数。三、晶面的概念与计算a3axyz2a0:1

:

1 1a 3a 2a

6

:

2

:

3解：答：该晶面的晶面指数为：（623）四、三种重要的晶面和晶向XZaXYZaY[100](100)立方晶格中晶列指数和晶面指数相同的晶列和晶面是相互垂直的，如[100]晶向和（100）晶面垂直。四、三种重要的晶面和晶向YXZaaXYZaa[111](111)四、三种重要的晶面和晶向YZaaYXZaa[110]X(110)沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同，这就是晶体的各向异性。受金属栅极与半导体衬底材料功函数不同的影响，当它们之间的接触电势差为φms时，曲线将平移该数值，如图所示。对于绝大多数金属，由于φms<0，故曲线发生左移。实际MOS电容的CV特性1.

金属-半导体功函数差对

C-V

特性的影响VGC

(V)FBC

2

1

O

1

2

3高频C-V曲线（P-Si衬底）φms①②φ��①是理想情形；

②为平移后情形。图示:实际MOS电容的CV特性2.

Si-SiO2系统中有效正电荷面密度QSS的影响栅氧化层正电荷以及Si-SiO2界面的界面态的影响（通常用QSS来表达），实测C-V曲线通常也会发生左偏，其偏移量为QSS/Cox。VGC

(V)

2

1 O 1 2 3高频C-V曲线（P-Si衬底）CoxQSS−

���/���CFB①②考虑到上述两因素，C-V曲线总的平移量为：

���=

���−

������①为理想曲线；②为实测曲线。图示:了解描述晶格的基本方法掌握晶向、晶面的概念和计算方法熟记常见的晶向和晶面010203

晶体是由晶胞周期性重复排列而成，整个晶体就像是网格，称为晶格。

组成晶体的原子或离子的中心位置称为格点，格点的总体称为点阵。一、描述晶格的基本方法二、晶向的概念与计算zyb��l1x�2�3O���=�1�+�2�+�3�若l1：l2：l3不是互质的，则要通过l1：l2：l3=

m：n：p化为互质整数，mnp就称为晶列指数，写作[mnp]，用来表示某个晶向。二、晶向的概念与计算XYZaa�=��+��+���:�:�=1:1:1三、晶面的概念与计算晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族，通常我们用晶面指数来表示晶面的不同取向。XYZa三、晶面的概念与计算首先确定该晶面在晶轴上的三个截距，并以晶格常数为单位表示截距值。然后取截距的倒数，并化简成最简单的整数比。最后将此结果以“(hkl)”表示，即为此平面的晶面指数。三、晶面的概念与计算�2�3����01:1:

1� 3�

2�=6:2:

3解：答：该晶面的晶面指数为：（623）四、三种重要的晶面和晶向XZaXYZaY[100](100)立方晶格中晶列指数和晶面指数相同的晶列和晶面是相互垂直的，如[100]晶向和（100）晶面垂直。四、三种重要的晶面和晶向YXZaaXYZaa[111](111)四、三种重要的晶面和晶向YZaaYXZaa[110]X(110)沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同，这就是晶体的各向异性。电容器一般是由彼此互相绝缘的两个导体，于中间由绝缘材料分隔，所构成的一种电子元件。在实际的电子电路中，我们常常能够见到各种类型的不同结构与形状的电容器。一、电容器在半导体集成电路设计中，通常也会用到一些电容器，但数量不多。考虑到半导体集成电路中电容的特殊性，常常只能制作一些小容量的电容器，通常其电容量C＜100PF。制作这类电容器，可以是PN结电容，也可以是MOS电容，或者是多晶硅电容等。考虑到电容的特殊性，半导体集成电路中以MOS电容为居多。一、电容器二、

MOS电容的器件结构集成电路中的MOS电容器。因其需占据较大的面积，一般需单独占用一隔离区，并使用N型衬底或外延层。MOS电容器，它的栅电极构成了该电容器的上电极，而下面的半导体衬底或掺杂层则构成了电容器的下电极。当在金属栅极上施加不同的电压时，在半导体导电层的表面上，会感应出空间电荷区以及反型层或者是多数载流子的积累层。二、

MOS电容的器件结构即半导体导电层的表面在带电情形时与普通电容器的带电情形存在一定的区别，这告诉我们这种MOS电容器，其性能应当与普通类型电容器存在一定的区别。二、

MOS电容的器件结构它需要独立占据一个隔离区，图中绿色区域显示为下电极，即半导体导电层例如n+区，蓝色区域为上极板，它通常由金属构成。左上方设计有一电极孔，下连半导体导电层，上连金属层。二、

MOS电容的器件结构半导体器件是由半导体材料所形成的。最终在半导体芯片制作完了以后。还要通过电力系统或者互联线的来实现各部分系统、电路间的连接，因此半导体器件是需要制作电极的。金属-半导体接触集成电路芯片中的金属互连金属与半导体接触金属-半导体接触SiAlSiO2金属与半导体接触金属-半导体接触金属与半导体之间形成的接触是符合欧姆定律的，也就是无论怎么施加电压，电流都是既可以从金属里流向半导体硅，也可以从半导体硅流向金属。这就是所谓的欧姆接触，接触点的IV特性如图中的曲线2所示。金属-半导体接触VI①②0以金属铝为例，如果这个半导体硅是N型，且掺杂浓度比较低，这个时候测量接触点的IV特性就会发现会形成图中的曲线1，我们会发现，这个曲线1和PN结的伏安特性曲线非常相似。如果金属一侧为高电位，半导体一侧为低电位，这个时候可以看到电流随电压迅速增大，也就是说电流可以从金属铝注入半导体。金属-半导体接触VI①②0反过来，如果金属铝这边的电位比较低，而半导体一侧电位定位比较高。这个时候会发现电流很小，基本上可以认为电流为0，也就是说此时接触点呈现出反向截止的特性。而当反向电压达到某一特定值的时候，我们就会看到。金属与半导体接触点会突然出现电流迅速增大的现象，类似于PN结的反向击穿现象。金属-半导体接触VI①②0金属-半导体接触一种是欧姆接触，另一种是整流接触，也称为肖特基接触。欧姆接触的时候，接触点只表现为一定的接触电阻，电流可以流进流出接触点，而整流接触的时候，接触点就呈现出单向导电性。什么情况下会形成欧姆接触？金属-半导体接触什么情况下会形成整流接触？当金属与半导体接触时，形成的肖特基势垒很低或者不形成势垒而是形成多子积累层。欧姆接触例如金属Pt（铂）与Si

的接触就是属于这种类型。欧姆接触半导体表面耗尽区的复合成为控制电流的主要机制，从而使接触电阻大大降低，并形成良好的欧姆接触。当金属与半导体接触时，形成的肖特基势垒很低或者不形成势垒而是形成多子积累层。是指将半导体表面打磨或吹砂，使之产生大量的晶格缺陷，从而形成许多复合中心，并形成良好的欧姆接触

。欧姆接触因为上述隧道过程对势垒厚度很敏感，一般要求高掺杂区杂质浓度须大于1019

�

�3。当金属与半导体接触时，形成的肖特基势垒很低或者不形成势垒而是形成多子积累层。是指将半导体表面打磨或吹砂，使之产生大量的晶格缺陷，从而形成许多复合中心，并形成良好的欧姆接触

。在半导体表面，采用一定的工艺方法形成高掺杂薄层，使得所形成的势垒区很薄，从而产生量子效应——隧道效应

，来实现欧姆接触。欧姆接触集电极高掺杂区P

SiP

P

Pn

e bcn

N

肖特基势垒与整流接触金属N型半导体E0mWWScEEvEFSEFm一般来说金属材料它的功函数比N型半导体要高，也就是说WM大于WS的。左图中金属和N型半导体尚未接触，因此从能带图中可以看到，两个材料之间不存在电子交换。

肖特基势垒与整流接触金属N型半导体E0mWSWcEEvEFSEFm那我们看到图的EFM表示的金属的费米能级。E0是真空的能极，EFS表示的是N型半导体的费米能级。那大家注意，现在这两种材料的费米能级是不一样的。金属