半导体表面与MIS结构概要

半导体物理学北工大电控学院第1页2010年12月23日星期四第八章、半导体表面与MIS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。–主要内容–表面态–MIS结构概述–表面电场效应和MIS电容半导体物理学北工大电控学院第2页2010年12月23日星期四§8.1表面态理想表面：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。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，引起附加能级，称为表面能级，或表面态。也叫做Tamm能级。理想硅表面的面密度值与原子密度相同，为1015cm-3。半导体物理学北工大电控学院第3页2010年12月23日星期四实际表面受到多种因素的影响：1、表面层中，离子实受到的势场作用不同于晶体内部，使晶体所固有的三维平移性受到破坏，表面发生再构现象。2、表面粘污。3、表面氧化。对于硅来说，产生SiO2。产生SiO2后，硅表面的悬挂健大部分被SiO2所饱和，表面态密度大大降低，但并不会降到零。§8.2MIS结构概述MIS器件具有易于驱动，是压控器件，控制MOS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。MIS结构：是金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor)三层构成，MOS是三层物质字头的缩写。一、MOS的工艺过程简介半导体物理学北工大电控学院第4页2010年12月23日星期四•半导体物理学北工大电控学院第5页2010年12月23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SiO2层达到SiO2-Si界面继续和Si反应，所以Si-SiO2界面不是绝对的断然分开，而是存在着10Å左右的过渡层，在过渡层中SiOx的配比x在1～2之间，是非理想的。二、Si-SiO2系统的性质实验发现，在Si-SiO2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：1.固定电荷Qf主要存在于Si-SiO2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Si-SiO2界面附近过剩的硅离子,提高氧化温度以及适当的退火都可以降低Qf值。半导体物理学北工大电控学院第6页2010年12月23日星期四2.可动电荷Qm主要分布在SiO2层中，一般为半径比较小的带正电的碱金属离子(Na+、K+、H+)，最常见的是Na+离子，它在SiO2中扩散系数和迁移率都比较大，在外电场作用下会在SiO2中移动。Na+离子来源于化学试剂、玻璃器皿、炉管、石英舟、人体沾污等。采用含Cl的氧化工艺，可以使SiO2层中可动离子的含量降低。半导体物理学北工大电控学院第7页2010年12月23日星期四3.界面态电荷(界面陷阱电荷)Qit•界面陷阱是指界面态，指存在于Si-SiO2界面处(距Si表面3～5Å以内)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SiOx，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。•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，便产生了界面态电荷Qit。减少界面态的方法是在形成气体(90%N2+10%H2)中退火，用氢来饱和悬挂键。半导体物理学北工大电控学院第8页2010年12月23日星期四4.氧化层陷阱电荷Qot在SiO2层中，存在一些电子和空穴陷阱，它们与杂质和缺陷有关。由于x射线或γ射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击穿，都会在SiO2层中产生电子-空穴对，如果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在SiO2中移动，可以移动到电极上，而空穴在SiO2中很难移动，可能陷于这些陷阱中，成为正的陷阱电荷。辐照感应的空间电荷通过在300℃以上进行退火，可以很快消去。半导体物理学北工大电控学院第9页2010年12月23日星期四§8.3表面电场效应和MOS电容一、表面电场效应理想MOS结构功函数(Workfunction)：为费米能级到真空能级的差。亲和势(affinity)：半导体导带底到真空能级的差.理想MOS结构满足以下条件：金属与半导体之间功函数差为0；在SiO2层中没有任何电荷并且完全不导电；Si-SiO2界面处不存在任何界面态。半导体物理学北工大电控学院第10页2010年12月23日星期四电场作用下的理想MOS结构当理想MOS结构的栅压为0时SiO2层两侧也没有电荷；半导体的能带是平直的，空间沿x轴方向没有电位差，如图所示，其中EC’、EV’分别为SiO2的导带底和价带顶；半导体物理学北工大电控学院第11页2010年12月23日星期四金属一侧加正电压，栅压Vg0时：1.SiO2层两侧有电荷积累•栅压Vg0时，则产生一个由金属指向半导体的电场，SiO2是绝缘层，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。•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，将其厚度记为dsc，电荷量记作Qsc半导体物理学北工大电控学院第12页2010年12月23日星期四2.空间电荷层内的能带发生弯曲：加偏压的MOS结构，有统一的费米能级，在空间电荷层内，电场是逐渐被屏蔽的，x=0处电场最强，x=dsc处电场减小到零；与此相应，空间电荷层内的电势也随之变化，半导体表面与体内的电势差称为表面势，记为Vs(Vs=V(x=0)-V(x=dsc))这样整个栅压Vg,一部分落在了氧化层上称为Vi(Vi=V(x=-di)-V(x=0))，一部分落在了半导体表面空间电荷区上，即Vs,•于是有：Vg=Vi+Vs半导体物理学北工大电控学院第13页2010年12月23日星期四3.MOS电容•存在栅压时，MOS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，SiO2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。•理想MOS结构的电容由两部分组成，SiO2层电容Ci和半导体表面空间电荷层电容Cs：sisisissciMMsMisiMgMCCCCCCdVQddVQdQddVQddVdVdVQddVQdC1111111半导体物理学北工大电控学院第14页2010年12月23日星期四•从上述的定义看到，所说的MOS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，MOS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，根据半导体表面荷电状态的不同，可以分为积累、平带、耗尽和反型四种情况。半导体物理学北工大电控学院第15页2010年12月23日星期四二、半导体表面为多子积累(accumulative)的情形多子积累对应于：衬底为P型材料构成的MOS结构(n-MOS)Vg0；衬底为N型材料构成的MOS结构(p-MOS)Vg0；以P型材料构成的n-MOS结构为例进行介绍1.能带图和表面电荷当栅压Vg0时，Vs0，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，称为表面积累了空穴，而空穴是多子，又称为多子积累。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在最靠近表面的薄层内；QM=－Qsc，QM为金属栅极上的电荷半导体物理学北工大电控学院第16页2010年12月23日星期四从另一角度看，表面空穴浓度随表面势Vs的变化为：在Vg为比较大的负值时，Vs也相应是负值，交流小信号引起的微小的～Vs变化将引起很大的～ps的变化，从而引起很大的～Qsc的变化，因此，Cs=dQsc/dVs很大，比Ci大得多，总电容为氧化层Ci与表面空间电荷电容Cs的串联。2.多子积累时的MOS电容由前面分析可知，在偏压Vg0时，半导体表面空间电荷为空穴，空穴分布紧靠着Si-SiO2表面，此时若加一交流小信号～－Vg于负栅压Vg上，则～Vg引起的表面电荷～Qsc的充、放电发生在Si-SiO2界面附近，故测出的应当是以di为厚度的氧化层电容值Ci多子积累层电容：C=Ci；半导体物理学北工大电控学院第17页2010年12月23日星期四三、平带(FlatBand)的情形平带对应于：理想MOS结构（n-MOS/p-MOS)，Vg=0；Vg=0时，Vs=0，QM=Qsc=0，此时半导体表面能带平直，称为平带。在偏压Vg=0时，直接加上交流小信号，测得的电容称为平带电容，用CFB标记，半导体处于平带状态时的栅压称为平带电压，用VFB标记，理想MOS的平带电压为0伏。半导体物理学北工大电控学院第18页2010年12月23日星期四四、半导体表面为多子耗尽的情形多子耗尽(Majoritydepletion)对应于：衬底为P型材料构成的MOS结构(n-MOS)，Vg0；衬底为N型材料构成的MOS结构(p-MOS)，Vg0；以P型材料构成的n-MOS结构为例进行介绍。1.能带图和表面电荷M栅压Vg0时，表面势相应地Vs0，引起半导体表面能带向下弯曲：越接近表面，价带顶离EF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。半导体物理学北工大电控学院第19页2010年12月23日星期四2.多子耗尽时的MOS电容在正的直流偏压Vg0作用下,半导体表面为多子耗尽，电荷为带负电的受主离子，电量为Qsc，宽度为dsc；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，电容为一个厚度为di的氧化层电容和一个厚度为dsc的空间电荷区电容的串联，即00i/di与00i/dsc的串联。直流偏压VgVsdscCsCs与Ci串联后的MOS电容C半导体物理学北工大电控学院第20页2010年12月23日星期四1.能带图和表面电荷当栅压进一步增大时Vg0，Vs进一步升高，表面处能带进一步向下弯，以至于出现:导带底离EF比价带顶离EF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子，表面附近的P型区变成了以电子导电为主的N型层，所以称其为反型层。五、半导体表面反型的情形表面反型(inversin)对应于：衬底为P型材料构成的MOS结构(n-MOS)，Vg0；衬底为N型材料构成的MOS结构(p-MOS)，Vg0；以P型材料构成的n-MOS结构为例进行介绍。半导体物理学北工大电控学院第21页2010年12月23日星期四QM＝－Qsc＝－(Qn+QD),其中QD＝qNAdsc讨论：反型条件：弱反型条件：nsps即表面处电子浓度表面处空穴浓度在这种情况下，半导体表面空间电荷层内的负电荷由两部分组成：一部分是反型层中的电子，一部分是耗尽层中的电离受主，两者之和等于金属栅极表面正电荷半导体物理学北工大电控学院第22页2010年12月23日星期四从体内平带处知：FsFiFFissiisisFssFisisisFisVVEEqVEEqVqVEEEEpnkTEEnpkTEEnn11)exp()exp(iAFFiFiAFiAiFiFiinNqkTVEEqVnNkTEENpnpkTEEkTEEnpln1lnln)exp