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1、半导体表面和结构第一页，讲稿共六十四页哦本章内容：本章内容：n表面表面态概念概念n表面表面电场效效应nMIS结构构电容容-电压特性特性n硅硅-二氧化硅系二氧化硅系统性性质第二页，讲稿共六十四页哦8.1表面表面态n理理想想表表面面：表表面面层中中原原子子排排列列的的对称称性性与与体体内内原原子子完完全全相相同同，且且表表面面不不附附着着任任何何原原子子或或分分子子的的半半无无限限晶晶体体表面。表面。n在在半半导体体表表面面，晶晶格格不不完完整整性性使使势场的的周周期期性性被被破破坏坏，在在禁禁带中中形形成成局局部部状状态的的能能级分分布布（产生生附附加加能能级），），这些状些状态称称为表面表面态
2、或或达姆能达姆能级。清清洁表面的表面表面的表面态所引起的表面能所引起的表面能级，彼此，彼此靠得很近，形成准靠得很近，形成准连续的能的能带，分布在禁，分布在禁带内。内。第三页，讲稿共六十四页哦n从从化化学学键的的角角度度，以以硅硅晶晶体体为例例，因因晶晶格格在在表表面面处突突然然终止止，在在表表面面最最外外层的的每每个个硅硅原原子子将将有有一一个个未未配配对的的电子子，即即有有一一个个未未饱和和的的键，这个个键称称为悬挂挂键，与之，与之对应的的电子能子能态就是表面就是表面态。n实际表表面面由由于于薄薄氧氧化化层的的存存在在，使使硅硅表表面面的的悬挂挂键大大部部分分被被二氧化硅二氧化硅层的氧原子所
3、的氧原子所饱和，表面和，表面态密度大大降低。密度大大降低。n此此外外表表面面处还存存在在由由于于晶晶体体缺缺陷陷或或吸吸附附原原子子等等原原因因引引起起的的表表面面态；这种表面种表面态的数的数值与表面与表面经过的的处理方法有关。理方法有关。第四页，讲稿共六十四页哦n由由表表面面态（表表面面能能级）的的性性质和和费米米能能级的的位位置置，它它们可可能能成成为施施主主或或受受主主能能级，或或者者成成为电子子空空穴穴对的的复合中心复合中心。半半导体表面体表面态为施主施主态时，向，向导带提供提供电子后子后变成正成正电荷，表面荷，表面带正正电；若表面；若表面态为受主受主态，表面表面带负电。表面附近可表面
4、附近可动电荷会重新分布，形成空荷会重新分布，形成空间电荷荷区和表面区和表面势，而使表面，而使表面层中的能中的能带发生生变化。化。第五页，讲稿共六十四页哦8.2表面表面电场效效应8.2.1空空间电荷荷层及表面及表面势表面空表面空间电荷区的形成：荷区的形成：外加外加电场作用于半作用于半导体表面体表面第六页，讲稿共六十四页哦8.2表面表面电场效效应8.2.1空空间电荷荷层及表面及表面势电场电势电子子势能能表面能表面能带第七页，讲稿共六十四页哦8.2表面表面电场效效应8.2.1空空间电荷荷层及表面及表面势n表表面面势：空空间电荷荷层两两端端的的电势差差为表表面面势，以以Vs表表示示之之，规定定表表面面
5、电势比比内内部高部高时，Vs取正取正值；反之；反之Vs取取负值。n三三种种情情况况：多多子子堆堆积、多多子子耗耗尽尽和和少少子子反型。反型。第八页，讲稿共六十四页哦8.2.2表面空表面空间电荷荷层的的电场、电势和和电容容n规定定x轴垂垂直直于于表表面面指指向向半半导体体内内部部，表表面面处为x轴原点。原点。n采采用用一一维近近似似处理理方方法法。空空间电荷荷层中中电势满足泊松方程足泊松方程第九页，讲稿共六十四页哦n其中其中n设半半导体体表表面面层仍仍可可以以使使用用经典典分分布布，则在在电势为V的的x点点（半半导体体内内部部电势为0），），电子和空穴的子和空穴的浓度分度分别为第十页，讲稿共六十
6、四页哦n在半在半导体内部，体内部，电中性条件成立，故中性条件成立，故即即n带入可得入可得第十一页，讲稿共六十四页哦n上式两上式两边乘以乘以dV并并积分，得到分，得到n将上式两将上式两边积分，并根据分，并根据第十二页，讲稿共六十四页哦n得得n令令 第十三页，讲稿共六十四页哦n分分别称称为德拜德拜长度度，F函数函数。则n式中当V大于0时，取“+”号；小于0时，取“-”号。第十四页，讲稿共六十四页哦n在表面在表面处V=Vs，半，半导体表面体表面处电场强度度n根根据据高高斯斯定定理理，表表面面电荷荷面面密密度度Qs与与表表面面处的的电场强度有如下关系度有如下关系，第十五页，讲稿共六十四页哦n带入可得入
7、可得n当当金金属属电极极为正正，即即Vs0，Qs用用负号号；反之反之Qs用正号。用正号。第十六页，讲稿共六十四页哦n在在单位位表表面面积的的表表面面层中中空空穴穴的的改改变量量为n因因为第十七页，讲稿共六十四页哦n考考虑到到x=0，V=Vs和和x=，V=0，则得得 n同理可得同理可得第十八页，讲稿共六十四页哦n微分微分电容容n单位位F/m2。第十九页，讲稿共六十四页哦8.2.3 各种表面各种表面层状状态n（1）多数）多数载流子堆流子堆积状状态（积累累层）（1）积累层（）积累层（VG0）（Vs0）VG0时，表面，表面处空穴被排斥走，空穴被排斥走，当空穴当空穴势垒足足够高高时，表面，表面层价价带空
8、穴极空穴极为稀少，可稀少，可认为该层多子空穴被耗尽，称多子空穴被耗尽，称为耗尽耗尽层。表面微分表面微分电容容为采用耗尽近似采用耗尽近似第二十二页，讲稿共六十四页哦8.2.3 各种表面各种表面层状状态n（4）少数）少数载流子反型状流子反型状态（反型（反型层，VG0）开始出开始出现反型反型层的条件：的条件：表面表面势费米米势时反型反型层的条件：的条件：第二十三页，讲稿共六十四页哦8.2.3 各种表面各种表面层状状态强反型反型层出出现的条件：型的条件：型衬底表面底表面处的的电子密度等于体内的空穴子密度等于体内的空穴浓度度时。强反型反型层条件条件：第二十四页，讲稿共六十四页哦8.2.3 各种表面各种表
9、面层状状态金属与半金属与半导体体间加加负压，多子堆，多子堆积金属与半金属与半导体体间加不太高的正加不太高的正压，多子耗尽，多子耗尽金属与半金属与半导体体间加高正加高正压，少子反型，少子反型p型半型半导体体第二十五页，讲稿共六十四页哦8.2.3 各种表面各种表面层状状态n 型半型半导体体金属与半金属与半导体体间加正加正压，多子堆，多子堆积金属与半金属与半导体体间加不太高的加不太高的负压，多子耗尽，多子耗尽金属与半金属与半导体体间加高加高负压，少子反型，少子反型第二十六页，讲稿共六十四页哦8.3 MIS结构的构的电容容-电压特性特性nMIS结构的微分构的微分电容容n理想理想MIS结构的低构的低频C
10、-V特性特性n理想理想MIS结构的高构的高频C-V特性特性n实际MIS结构的构的C-V特性特性第二十七页，讲稿共六十四页哦8.3.1 MIS结构的微分构的微分电容容n栅压VG=VO+VS n当不考当不考虑表面表面态电荷荷,半半导体的体的总电荷荷面密度面密度 QS=-QG nMIS结构的微分构的微分电容容C dQG/dVG 第二十八页，讲稿共六十四页哦n定定义u 氧化氧化层电容容u 空空间电荷区荷区电容容则有有第二十九页，讲稿共六十四页哦8.3.2 理想理想MIS结构的低构的低频C-V特性特性n理想理想MIS结构构:金属的功函数与半金属的功函数与半导体相同（体相同（Vms=0）绝缘层中没有中没有
11、电荷存在且荷存在且绝缘层不不导电（Qo=0）半半导体与体与绝缘层接触界面没有表面接触界面没有表面态（Qss=0）MSI第三十页，讲稿共六十四页哦MIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式:第三十一页，讲稿共六十四页哦 VG0 VS0,0VS VT,VS 2VBu表面表面强反型反型,CS很大很大,(C/Co)1n阈值电压(开启开启电压)半半导体表面体表面刚达到达到强反反型型时所加的所加的栅压n归一化一化电容容第三十六页，讲稿共六十四页哦8.3.3理想理想MIS结构的高构的高频C-V特性特性 表面表面积累累,表面耗尽表面耗尽,高低高低频特性一特性一样 VG VT，VS 2VB,表面表面强反型反型高
12、高频时,反型反型层中中电子的增减跟不上子的增减跟不上频率率的的变化化,空空间电荷区荷区电容呈容呈现的是耗尽的是耗尽层电容最小容最小值 第三十七页，讲稿共六十四页哦第三十八页，讲稿共六十四页哦 MIS结构的构的电容也呈容也呈现最小最小值不再随偏不再随偏压VG呈呈现显著著变化化第三十九页，讲稿共六十四页哦第四十页，讲稿共六十四页哦深耗尽状深耗尽状态n当偏当偏压VG的的变化十分迅速化十分迅速,且其正向幅且其正向幅度大于度大于VT,则:即使表面即使表面势VS2VB,反型反型层也来不及建也来不及建立立,耗尽耗尽层宽度随偏度随偏压幅度的增大而增幅度的增大而增大大-深耗尽状深耗尽状态第四十一页，讲稿共六十四
13、页哦n当表面当表面处于深耗尽于深耗尽-随随VG增加增加,d增加增加(dM),MOS结构的构的电容不再呈容不再呈现为最小最小值.第四十二页，讲稿共六十四页哦8.3.4 实际MIS结构的构的C-V特性特性(1)功函数差异的影响功函数差异的影响n平平带电压为了恢复半了恢复半导体表面平体表面平带状状态需要需要加的加的电压.n 考考虑功函数差异的影响功函数差异的影响:VFB=-Vms第四十三页，讲稿共六十四页哦第四十四页，讲稿共六十四页哦第四十五页，讲稿共六十四页哦(2)绝缘层中中电荷的影响荷的影响当当绝缘层处有一薄有一薄层电荷荷,其面其面电荷密度荷密度为第四十六页，讲稿共六十四页哦第四十七页，讲稿共六
14、十四页哦n当当绝缘层中有分布中有分布电荷荷则有有:其中其中,氧化氧化层中中总有效有效电荷面密度荷面密度第四十八页，讲稿共六十四页哦8.4 Si-SiO2系系统的性的性质n1.二氧化硅中的可二氧化硅中的可动离子离子n2.二氧化硅中的固定表面二氧化硅中的固定表面电荷荷n3.在硅在硅二氧化硅界面二氧化硅界面处的快界面的快界面态n4.二氧化硅中的陷阱二氧化硅中的陷阱电荷荷第四十九页，讲稿共六十四页哦第五十页，讲稿共六十四页哦8.4.1 二氧化硅中的可二氧化硅中的可动离子离子n二氧化硅中的可二氧化硅中的可动离子有离子有Na、K、H等，等，其中最主要而其中最主要而对器件器件稳定性影响最大的定性影响最大的是
15、是Na离子。离子。n来源来源：使用的使用的试剂、玻璃器皿、高温器、玻璃器皿、高温器材以及人体沾材以及人体沾污等等 n为什么什么SiO2层中容易玷中容易玷污这些正离子而些正离子而且易于在其中迁移呢？且易于在其中迁移呢？第五十一页，讲稿共六十四页哦n二氧化硅二氧化硅结构的基本构的基本单元是一个由硅氧元是一个由硅氧原子原子组成的四面体，成的四面体，Na离子存在于四面离子存在于四面体之体之间，使二氧化硅呈，使二氧化硅呈现多孔性，从而多孔性，从而导致致Na离子易于在二氧化硅中迁移或离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。散。n由于由于Na的的扩散系数散系数远远大于其它大于其它杂质。根据根据爱因斯坦关系，因斯坦关
16、系，扩散系数跟迁移率散系数跟迁移率成正比，故成正比，故Na离子在二氧化硅中的迁移离子在二氧化硅中的迁移率也特率也特别大。大。第五十二页，讲稿共六十四页哦第五十三页，讲稿共六十四页哦n温度达到温度达到100摄氏度以上氏度以上时，Na离子在离子在电场作用下作用下以以较大的迁移率大的迁移率发生迁移运生迁移运动。第五十四页，讲稿共六十四页哦n作偏作偏压温度温度实验，可以，可以测量二氧化硅量二氧化硅中中单位面位面积上的上的Na离子离子电荷量：荷量：单位面位面积钠离子离子电荷数：荷数：第五十五页，讲稿共六十四页哦n可可动钠离子离子对器件的器件的稳定性影响最大定性影响最大（1）漏）漏电增加，增加，击穿性能穿
17、性能变坏坏（2）平）平带电压增加增加n如何解决如何解决钠离子玷离子玷污的的问题（1）把好清）把好清洁关关（2）磷蒸汽）磷蒸汽处理理第五十六页，讲稿共六十四页哦8.4.2 二氧化硅中的固定表面二氧化硅中的固定表面电荷荷二氧化硅二氧化硅层中固定中固定电荷有如下特征荷有如下特征 n电荷面密度是固定的荷面密度是固定的n这些些电荷位于荷位于Si-SiO2界面界面200范范围以内以内n固定表面固定表面电荷面密度的数荷面密度的数值不明不明显地受地受氧化氧化层厚度或硅中厚度或硅中杂质类型以及型以及浓度的度的影响影响 n固定固定电荷面密度与氧化和退火条件，以荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很及硅晶体
18、的取向有很显著的关系著的关系 第五十七页，讲稿共六十四页哦过剩硅离子是固定正剩硅离子是固定正电荷的来源荷的来源n这些些电荷出荷出现在在Si-SiO2界面界面200范范围以内，以内，这个区个区域是域是SiO2与硅与硅结合的地方，极易出合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及中的缺陷及氧化不充分而缺氧，氧化不充分而缺氧，产生生过剩的硅离子剩的硅离子n实验证明，若在硅晶体取向分明，若在硅晶体取向分别为111、110和和100三个方向生三个方向生长SiO2时，他，他们的硅的硅二氧化硅二氧化硅结构中构中的固定表面的固定表面电荷密度之比荷密度之比约为3:2:1。n将氧离子注入将氧离子注入Si-SiO2系系统
19、界面界面处，在，在450度度进行行处理，理，发现固定表面固定表面电荷密度有所下降荷密度有所下降n将将MOS结构加上构加上负栅偏偏压进行行热处理理实验发现，当温度，当温度高出高出钠离子漂移温度（离子漂移温度（127度）度）时，这些固定的表面些固定的表面电荷密荷密度有所增加。度有所增加。第五十八页，讲稿共六十四页哦平平带电压 单位表面位表面积的固定的固定正正电荷数目荷数目 第五十九页，讲稿共六十四页哦8.4.3在在Si-SiO2界面界面处的快界面的快界面态nSi-SiO2系系统中位于两者界面中位于两者界面处的界面的界面态就是来自于就是来自于悬挂挂键，即所，即所谓塔姆能塔姆能级。n硅表面的晶格缺陷和
20、硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加，将增加悬挂挂键的密度，同的密度，同样引入界面引入界面态。n在硅表面在硅表面处存在存在杂质等也可以引入界面等也可以引入界面态，这些界面些界面态位于位于Si-SiO2界面界面处，所以可以迅速地和，所以可以迅速地和Si半半导体内体内导带或价或价带交交换电荷，故此称荷，故此称为“快快态”。第六十页，讲稿共六十四页哦n界面界面态能能级被被电子占据子占据时呈呈现电中性，中性，而施放了而施放了电子之后呈子之后呈现正正电性，称性，称为施施主型界面主型界面态 n若能若能级空着空着时为电中性而被中性而被电子占据子占据时带上上负电荷，即称荷，即称为受主型界面受主型界面态 n界面界面态
21、能能级被被电子或空穴所占据的概率，子或空穴所占据的概率，与半与半导体内部的体内部的杂质能能级被被电子占据的子占据的概率分布相同概率分布相同第六十一页，讲稿共六十四页哦n峰峰值分布：分布：认为界面界面态能能级连续地分布在地分布在禁禁带中，其中有两个中，其中有两个高密度峰：一个靠近高密度峰：一个靠近导带底底为受主界面受主界面态；另一个靠近价；另一个靠近价带顶为施主界面施主界面态 第六十二页，讲稿共六十四页哦第六十三页，讲稿共六十四页哦作业题n1.解释什么是表面积累、表面耗尽和表面反型？n2.在由p型半导体组成的MIS结构上加电压VG，分析其表面空间电荷层状态随VG变化的情况，并解释其CV曲线。第六十四页，讲稿共六十四页哦