第八章半导体表面与MIS结构

1、第八章 半导体表面与MIS结构,重点： 表面空间电荷层的性质 (表面电场效应) MIS结构的C-V特性(理想和非理性MOS电容) 多子堆积状态 平带状态 多子耗尽状态 少子反型状态 硅二氧化硅系统的性质 平带电压,MIS结构的等效电路,MIS结构示意图,半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性。 MOS（金属氧化物半导体）器件 电荷耦合器件CCD 表面发光器件等利用半导体表面效应 半导体表面研究，半导体表面理论发展，对改善器件性能，提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。,最初的MIS结构是由Moll在1959年作为变容二极管的电压控制电容提出的。 Al/SiO2/Si Moll当时已经

2、建议由MIS电容监控氧化硅质量。,1962年， Moll的两位研究生发表的博士论文（An investigating of surface state at a silicon silicon dioxide interface employing metal-oxide-silicon diodes,Solid State Electronics,5(5),Lewis M. Terman,1962)中对MIS中界面束缚态进行详尽研究在两种材料边界和界面中，束缚态称为界面陷阱。 由C-V特性曲线数据给出界面陷阱总密度。,20世纪70年代起，HFCV普遍用作VLSI制造过程监控方法。 1965年

3、GROVE等给出正确HFCV物理模型和理论(Investigating of thermally oxidized silicon surface using metal-oxide-semiconductor structures, J. Appl. Phys. 33 (8), 1964) 。 1970年Smith在贝尔实验室发明CCD器件。,作为半导体表面研究，难度大。 侧重于： 实际表面 表面态概念 表面电场效应 硅二氧化硅系统性质 MIS（指金属绝缘层半导体）结构 的电容电压特性 等表面效应,8.1 表面态,表面处晶体的周期场中断； 表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性

4、； 表面往往要特殊保护措施，如钝化 表面是器件制备的基础，如MOSFET等,一、表面的特殊性,二、 理想表面 理想一维晶体表面态：薛定谔方程为,在表面x=0两边，波函数指数衰减，说明电子分布几率主要集中在x=0处，即电子被局限在表面附近,每个表面原子对应禁带中一个表面能级，这些能级组成表面能带。,晶格表面处突然终止，在晶格表面存在未饱和的化学键，称为悬挂键，与之对应的电子能态称为表面态。,硅表面悬挂键示意图,悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴 获得电子带负电 获得空穴带正电,硅表面原子密度1015cm-2,悬挂键密度也应为 1015cm-2,三、真实表面 1.清洁表面： 在超高真空(UH

5、V) (10-9Torr)环境中解理 晶体，可以在短时间内获得清洁表面，但与 理想表面不同：解理后的表面易形成再构 2.真实表面 自然氧化层（ nm）大部分悬挂键被饱 和，使表面态密度降低 表面态密度10101012cm-2（施主型、受主型）,3.界面 掺杂不同Si pn(同质结)、不同半导体异质结 金半接触肖特基接触 晶粒间界多晶结构 金属氧化物半导体MOSFET,8.2 表面电场效应,如图装置是MIS结构。 (Metal-Insulator-Semiconductor) 中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即可产生表面电场。 结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒

6、子，界面态等）,现在理想情况 假设MIS结构满足以下条件： （1）Ws=Wm； （2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电； （3）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。 讨论理想MIS结构金/O/半间加电压产生垂直于表面 的电场时，半导本表面层内的电势及电荷分布情况。,8.2.1 空间电荷层及表面势,VG=0时，理想MIS结构的能带图,VG0时，,MIS结构实际是一个电容,加电压后，金属和半导体两个面内要充电(Qm=-Qs) 金属中，自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度范围之内 半导体中，自由载流子密度低，对应Qs的电荷分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层叫空间电荷区,VG0时

7、，MIS结构的能带图, 空间电荷区能带发生弯曲,空间电荷区内： 1)空间电场逐渐减弱 2)电势随距离逐渐变化 能带弯曲,表面势(VS)：空间电荷区两端的电势差 表面电势比内部高，VS0; 表面电势低于内部，VS0，Qs负号；反之Qs正号。,1c）表面电容分布 上式给出单位面积上的电容，单位为F/m2。,多子堆积 平带 多子耗尽 少子反型,进行相应近似,ES QS,CS,四种基本状态的电场、电势和电容,应用上面公式分析表面层的状态 1. 多子堆积 p型 VG0,将上式代入式（8-25），式（8-27）和式（8-31）中，则,表面电荷随表面势的绝对值Vs增大按指数增长。,表面势越负，能带在表面处向

8、上弯曲得越厉害时，表面层的空穴浓度急剧地增长。,2. 平带状态 VG=0时，表面势Vs=0,表面处能带不发生弯曲， 称做平带状态。 此时FqVs/(k0T),np0/pp0=0 Es=0， Qs=0,Vs 0时 代入式（8-31），化简后得,平带状态时， Vs趋于0，则这时的电容为 再考虑到p型半导体中np0pp0，最后得 计算MOS结构的平带电容时，要利用这一结果。,3.耗尽状态 VG为正：大小不足使表面处禁带中央能量Ei弯曲到费米能级以下，表面未反型，空间电荷区处于耗尽。 VS0，有,将上式代入式（8-26）及式（8-27），得,表面电场强度和表面电荷数正比于（Vs）1/2 。 Es为正值

9、，说明表面电场方向与x轴正向一致； Qs为负值，表空间电荷是电离受主杂质形式的 负电荷。,耗尽时表面空间电荷区的电容可从式（8-31）求得为 将式（8-23）的LD代入上式，电离饱和时Pp0=NA，则得,“耗尽层近似”处理 设空间电荷层的空穴全部耗尽，电荷全由已电离 的受主杂质构成。 若半导体掺杂均匀，则(x)=-qNA，泊松方程为,Xd：耗尽层宽度，半导体内部电场强度及电势为零， 边界条件：,积分,代入（8-41），得 表明Cs相当距离为xd的平板电容器的单位面积电容。,表面处x=0，则得表面电势,从耗尽层近似很易得出半导体空间电荷层中单位面积的电量为 Qs =-qNAxd （8-45） 与

10、由式（8-39）中代入LD值所得结果相同。,4. 反型状态 外加正电压VG增大，表面处禁带中央能值 Ei可降到EF下，出现反型层。 以表面处少子浓度ns是否超过体内多子浓 度pp0为标志。,表面处少子浓度为 表面处少子浓度ns=pp0时，上式化为,另据玻耳兹曼统计得,qVB=Ei-EF,得强反型的条件 Vs2VB (8-47),发生强反型的临界条件：Vs=2VB 图表示这时表面层的能带弯曲。,以pp0=NA代入式（8-46），得 则强反型条件可写为,从上式知，衬底杂质浓度越高，Vs越大，越不易达强反型。,开启电压： 对应于表面势Vs=2VB时金属板上加的电压称做开启电压，以VT表示之。即当Vs

11、 =2VB，,np0=niexp-qVB/(k0T)， pp0=niexpqVB/(k0T) np0/pp0=exp-2qVB/(k0T) 临界强反型Vs=2VB，因而np0/pp0=exp-qVs/(k0T)。 F函数为：,计算ES, QS, CS,当qVsk0T时，exp-qVs/(k0T)1，F函数为 代入式（8-26）及（8-27），得到临界强反型时的,弱反型，耗尽层近似依然适用,强反型后，Vs2VB，且qVsk0T,将上式代入式（8-26）及（8-27），则,强反型|Qs|随Vs按指数规律增大,强反型表面空间电荷层的电容为,上式表明Cs随表面电子浓度的增加而增大。,出现强反型后，外加

12、电场被反型层中积累的电子 所屏蔽，表面耗尽层宽度就达到一个极大值xdm， xdm由半导体材料的性质和掺杂浓度来确定。,1)材料一定，NA, xdm 2)Eg，ni, xdm,表面反型层举例：,在出现强反型后，半导体面积上的电荷量 Qs是两部分组成的: 电离受主的负电荷QA=-qNAxdm 反型层中的积累电子,小结,5.深耗尽状态 以上讨论假设金属与半导体间所加的电压VG不变空间电荷层的平衡状态，或变化速率很慢以至表面空间电荷层中载流子浓度能跟上偏压VG变化的状态。,实际上尚存在深耗尽的非平衡状态。 p型为例，金/半间加一脉冲阶跃电压或高频正弦波形成的正电压时，由于空间电荷层内的少子的产生速率赶

13、不上电压的变化，反型层来不及建立，只有靠耗尽层延伸向半导体内深处而产生大量受主负电荷以满足电中性条件。,在脉冲式外电场的作用下，即使达到了 ，但是由于少数载流子的产生需要一定的时间，也不会立即出现反型层，而仍保持为耗尽的状态（此时的耗尽厚度比最大耗尽层厚度还要大）。 多数载流子完全被耗尽，应该出现，但是一时不出现反型层的一种半导体表面状态。,半导体表面深耗尽的区域是少数载流子的一种势阱，可以容纳注入到其中的少数载流子 深耗尽状态是实际中经常遇到的一种状态 1.采用C-V法测试杂质浓度分布 2.用电容-时间法测量衬底中少子寿命时 3. CCD和热载流子的雪崩注入 CCD:半导体表面深耗尽势阱来存

14、储信号电荷、并进行电荷转移的一种器件，它可用于摄像（光注入信息电荷）、信息处理和数字存储等,微细加工中心C-V测试系统,8.3 MIS结构的电容(Capacitance)-电压(Voltage)特性,8.3.1 理想MIS结构的C-V特性 MIS加VG，VG一部分V0降在绝缘层上，另一部在半导体表面层中，形成表面势Vs，即 VG= V0+Vs,理想MIS，绝缘层没电荷，绝缘层中电场E0均匀，绝缘层厚度d0 。则 V0= E0d0,金属表面面电荷密度QM由高斯定理等于绝缘层内的电位移 QM = ，得 r0绝缘层相对介电常数。QM=Qs，上式化为,绝缘层单位面积电容。,将 代入VG= V0+Vs得

15、VG表示式,MIS结构电容为 将 代入上式，得 分子分母除以dQs，令,则得 表明MIS电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，可得MIS等效电路如图。,理想MIS结构C-V特性,多子堆积区： 平带状态： 多子耗尽： 少子反型：,型 半 导 体,p,堆积状态 VG2qVBk0T，C/C0=1, MIS电容又上升到绝缘层电容,如图中EF段所示。,0,VS=2VB VG=VT （阈值电压，开启电压）,b) 高频时，电子的产生与复合跟不上高频信号的变化，反型层电子对电容没有贡献，空间电荷区的电容由耗尽层的电荷变化决定,MIS电容是绝缘层电容及与最大耗尽层厚度xdm对应耗尽层电容的串联组合。

16、最大耗尽电容Cs= rs0/xdm ，C0=r00/d0,得 对同种半导体材料，T定，Cmin/C0为d0及NA的函数。,d0定，NA大，Cmin/C0值就越大。 由此可测半导体表面的杂质浓度。,高频条件下，理想MIS结构的归一化极小电容与氧化层厚度关系,这种方法测得的是绝缘层下半导体表面层中的真实浓度，可用此法测热氧化引起硅表面的杂质再分布。,高频条件下，理想MIS结构的 归一化极小电容与氧化层厚度关系,低频，弱反型 VG0, VG,d,Qs:从V1/2 exp(qVs/2k0T) Cs=dQs/dVs:从V-1/2 exp(-qVs/k0T),C- DE段,深耗尽情况（快速C-V扫描） 从

17、深耗尽到热平衡反型层所需的热驰豫时间th 为1-100s 反型层的建立不是一个很快的过程 快速直流偏压扫描导致反型层不能建立，“耗尽层 近似”依然适用， ddmax, CsV-1/2 C 右图GI段,MIS结构电容与频率有关 不同频率下C-V特性曲线变化大。 在开始强反型时，低频信号测得的电容值接 近绝缘层的电容C0。,n型半导体的C-V特性,结论,理想MIS结构，半导体材料与绝缘层材料一定时，C-V特性随半导体材料掺杂浓度及绝缘层厚度d0而变； C-V特性与频率有关,实际MIS结构的C-V特性,意义：分析实验C-V曲线，可监控集成 电路生产制造工艺，以及对MIS晶体管、 可靠性物理及失效机理

18、作基本分析,功函数和绝缘层电荷的影响,8.3.2 金/半功函数差对MIS结构C-V特性影响 理想MIS结构的电容-电压特性 未考虑金、半功函数差及绝缘层中存在电 荷等因素影响。 这些因素对MIS结构C-V特性会产生显著影响。,求平带电压，思想：串联反向电池,WsWm，电子从金属流向半导体中。 在p硅表面层内形成带负电的空间电荷层，在金 属表面产生正电荷。,Al-SiO2-Si (p-type),表面能带向下弯曲,硅内部的费米能级相对于金属的费米能级就要向上提高平衡 半导体中电子的电势能相对于金属提高数值为,可写为,金、半功函数不同，偏压为零时，半导体表面层并不处于平带状态。,要恢复平带状态，须

19、在金属铝与半导体硅间加一定负电压，抵消两者功函数不同引起的电场和能带弯曲。 恢复平带状态所需加的电压叫平带电压，以VFB表示,平带电压,平带电压 C-V曲线整体沿电压轴负方向平移了一段距离VFB， 形状不变,8.3.3 绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响,影响C-V曲线沿电压轴平移,设Wm=Ws a)面电荷分布 b)体电荷分布,a) 面电荷分布：假设在SiO2中有一薄层正电荷，离Al表面距离为x，单位面积上电量为Q,空间电荷层内有电场产生，能带发生弯曲,为了恢复平带状态，在金属板(Al)上加负电压，使电力线终止于金属表面,由于半导体表面层电场完全被金属表面负电荷产生电场所抵消，表面层能带

20、弯曲消失。 电场集中在金属与薄层电荷之间 VFB=-Ex，E金属与薄层电荷间电场强度。,由高斯定理，金属与薄层电荷之间的电位移D等于电荷面密度Q，而D= r0 0 E ，有： Q=r0 0 E （8-74） 把上式代入式V FB=-Ex中，则得,绝缘层单位面积电容r00=C0d0，代入上式，得 薄层电荷靠近半导体（x=d0），上式有最大值，即 贴近金属表面时（x=0）,VFB=0。,结论： 绝缘层中电荷越接近半导体表面，对C-V 特性的影响越大； 位于金属与绝缘层界面处时，对C-V特性 没有影响。,b) 体电荷分布,绝缘层中若存在非薄层电荷，而是某种体电荷分布。 可分成无数层薄层电荷，由积分求

21、出平带电压。,设电荷密度为(x)，dx薄层内，单位面积上 电荷(x)dx。 抵消这薄层电荷影响所加的平带电压为,为抵消整个绝缘层内电荷影响所需加的平带电压VFB为：,所以，当MIS结构的绝缘层中存在体电荷时，可引起其C-V曲线沿电压轴平移VFB。 表示平带电压VFB与绝缘层中电荷的一般关系.,功函数和绝缘层电荷对MIS结构C-V特性的影响,绝缘层中的电荷： Qf(c/cm2)（面电荷分布） Qm和 Qox（c/cm3）（体电荷分布）,温-偏(B-T)实验：测量MOS工艺中钠离子沾污。,外电场和温度场下Na+可动,8.4 硅-二氧化硅系统的性质,电荷分类： 可动离子 固定电荷 界面态 电离陷阱电

22、荷,8.4.1 二氧化硅层中的可动离子 Na+，K+、H+等正离子。 在一定温度和偏压条件下，可在二氧化硅层中 迁移，对器件的稳定性影响最大。,来源于沾污,8.4.2 二氧化硅层固定表面电荷 1、位于硅-二氧化硅界面20nm范围以内， 2、外加电场下，不能在二氧化硅中迁移 3、过剩硅离子(Si+)是固定表面正电荷产生原因 4、 111110100 5、不和体硅交换电荷 6、不依赖于硅掺杂和氧化层厚度 7、与热处理有关,8.4.3 硅-二氧化硅界面处快界面态 硅-二氧化硅界面处位于禁带中的能级或能带。 可在很短的时间内和衬底半导体交换电荷-快界面态 Qit Dit,1 Dit 1010-1012

23、cm-2eV-1 2 Dit 在禁带中存“U”形分布 3 Qit与晶向关系： 111110100 4 Qit依赖退火处理,图中1为原始C-V曲线，开始钠离子聚集在铝与二氧化硅间，对C-V特性没有影响。,8.4.4二氧化硅中的陷阱电荷 由离化辐照(x射线、射线、电子射线)等原因感应出空间电荷生成。,曲线2是加正偏、加温处理后，钠离子移到靠近半导体表面处，对C-V影响最大，C-V曲线向左移动到2处。,再加负偏压下在一定T下退火后，钠离子又移到靠近铝和二氧化硅交界处，但二氧化硅中保留部分残余钠离子，C-V特性部分恢复，如曲线3所示。,测出图中1及2平带电压差VFB，即可算出二氧化 硅中每单位面积上的

24、钠离子电荷量， QNa=C0VFB (8-82) C0单位面积二氧化硅电容，可算单位面积钠离子数,结论,高频MOS电容-电压特性测试时研究MOS器件 半导体界面特性的重要方法 可测试： 导电类型 半导体掺杂浓度(NA或ND) SiO2厚度(d0) 氧化层固定电荷密度 氧化层可动电荷密度,4、,CFB NA或ND,例题： 用n型硅单晶片作为衬底制成MOS二极管。铝电极面积A=1.610-7m2。在150C下进行负B-T和正B-T处理。分别测得如图所示的C-V曲线(1)、(2)。求二氧化硅界面处的正电荷密度和二氧化硅中的可动离子面密度。,例2：计算下列情况下，平带电压的变化。 （1）氧化层中均匀分

25、布着正电荷； （2）三角形电荷分布，金属附近高，硅附 近为零； （3）三角形电荷分布，硅附近高，金属附 近为零。 设三种情况下，单位表面积的总离子数都为1012/cm2。氧化层厚度均为0.2um;r0=3.9, 0=8.8510-14F/cm,8.5 表面电导及迁移率,表面电导： 讨论半导体表面层内沿平行于表面方向的电导问题。 表面电导取决于表面层内载流子的数量、迁移率。 载流子数量及迁移率越大，表面电导也越大。,重要性：,单位面积的表面层中载流子改变量,垂直于表面方向的电场对表面电导起着控制作用,(8-92)附加薄层电导是相对平带情况说的 （0）：表面处于平带状态时的薄层电导 则半导体表面层中总薄层表面电导为：,表面电导随表面势Vs变化情况。(p-type) 当表面势负，表面层内形成多数载流子空穴的积累，使表面电导增加，（Vs）（0），且随Vs值增加而增加。,Vs为正值： 值足够大、表面开始形成反型层时，因反型层中出现少数载流子电子。而其数量又随Vs增加而增加，故表面电导亦随Vs而增大。,对于Vs为正值而数值较小时，表面处于 耗尽状态，因此表面电导较小。 有一表面电导极小值存在于这个