半導(dǎo)體物理_第八章_半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)

1、第八章半導(dǎo)體表面與第八章半導(dǎo)體表面與MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體表面問題在微電子技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中越半導(dǎo)體表面問題在微電子技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中越來(lái)越顯得關(guān)鍵和重要，其原因有三點(diǎn)：來(lái)越顯得關(guān)鍵和重要，其原因有三點(diǎn)：1、半導(dǎo)體表面的狀態(tài)可以嚴(yán)重地影響半導(dǎo)體器件的性能，、半導(dǎo)體表面的狀態(tài)可以嚴(yán)重地影響半導(dǎo)體器件的性能，特別是影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。特別是影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。2、利用半導(dǎo)體表面特有的效應(yīng)研制出了許多非常重要的新、利用半導(dǎo)體表面特有的效應(yīng)研制出了許多非常重要的新器件，例如器件，例如MOS器件，器件，CCD器件等。器件等。3、隨著微電子制造技術(shù)的進(jìn)步，薄膜型器件不斷涌現(xiàn)

2、，在、隨著微電子制造技術(shù)的進(jìn)步，薄膜型器件不斷涌現(xiàn)，在薄膜型器件中，表面效應(yīng)及表面性質(zhì)起著決定性的作用。薄膜型器件中，表面效應(yīng)及表面性質(zhì)起著決定性的作用。表、界面的定義表、界面的定義表、界面是指由一個(gè)相到另一個(gè)相的過(guò)渡區(qū)域。表、界面是指由一個(gè)相到另一個(gè)相的過(guò)渡區(qū)域。表、界面通常可以分為以下五類：表、界面通?？梢苑譃橐韵挛孱悾?固固氣、液氣、液氣、固氣、固液、液液、液液、固液、固固固氣體和氣體之間總是均相體系，因此不存在表、界面。氣體和氣體之間總是均相體系，因此不存在表、界面。習(xí)慣上把凝聚相與氣相之間的分界面（固習(xí)慣上把凝聚相與氣相之間的分界面（固氣、液氣、液氣）氣）稱為稱為表面表面，而把凝聚相

3、之間的分界面（固，而把凝聚相之間的分界面（固液、液液、液液、液、固固固）稱為固）稱為界面界面。物理表面物理表面物理表面物理表面材料表面材料表面 =0 理想理想MISMIS系統(tǒng)定性分析系統(tǒng)定性分析 （以（以P P類型為例）類型為例） - - 堆積、耗盡、反型堆積、耗盡、反型VBVB為費(fèi)米電勢(shì)，決定半導(dǎo)體的類型及程度為費(fèi)米電勢(shì)，決定半導(dǎo)體的類型及程度ECEVEiEFsVG0 xxdqVGkTEEnpFsiiexpiE在表面處在表面處 低于半導(dǎo)體低于半導(dǎo)體內(nèi)部值內(nèi)部值EFmQnQm特征特征ECEVEiEFsVG0 xxdm在強(qiáng)反型條件下在強(qiáng)反型條件下金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)壓，金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)壓，多子堆

4、積。多子堆積。金屬與半導(dǎo)體間加不太高的正壓，金屬與半導(dǎo)體間加不太高的正壓，多子耗盡。多子耗盡。金屬與半導(dǎo)體間加高正壓，金屬與半導(dǎo)體間加高正壓，少子反型。少子反型。Vs=2VB時(shí)，金屬板上加的電壓習(xí)慣上稱作開啟電壓，用時(shí)，金屬板上加的電壓習(xí)慣上稱作開啟電壓，用VT表示。表示。當(dāng)反型層的厚度小到與電子的德布羅意波長(zhǎng)相比擬時(shí)當(dāng)反型層的厚度小到與電子的德布羅意波長(zhǎng)相比擬時(shí)，反型電子處于量子阱中。，反型電子處于量子阱中。此時(shí)反型電子沿垂直界面方向的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了量子化，對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)發(fā)生分裂，此時(shí)反型電子沿垂直界面方向的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了量子化，對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)發(fā)生分裂，形成不連續(xù)的電子能級(jí)，但電子沿平行于界面方向的

5、運(yùn)動(dòng)則不受約束。把這種電形成不連續(xù)的電子能級(jí)，但電子沿平行于界面方向的運(yùn)動(dòng)則不受約束。把這種電子稱為子稱為二維電子氣二維電子氣。.1.1 理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容- -電壓特性電壓特性1.理想情況即假設(shè)：理想情況即假設(shè)： 不考慮功函數(shù)的影響；不考慮功函數(shù)的影響； 忽略絕緣層中的電荷；忽略絕緣層中的電荷； 忽略表面態(tài)的影響；忽略表面態(tài)的影響； 假定絕緣層完全不導(dǎo)電。假定絕緣層完全不導(dǎo)電。討論討論MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性時(shí)，都以單位表面積的電容為準(zhǔn)，特性時(shí)，都以單位表面積的電容為準(zhǔn)，以以P型半導(dǎo)體為例。型半導(dǎo)體為例。0000111GssriisssVVVCCCCddQCdV 理

6、想的理想的MISMIS結(jié)構(gòu)的電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體空間電荷層電容的串聯(lián)。結(jié)構(gòu)的電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體空間電荷層電容的串聯(lián)。.2 .2 功函數(shù)對(duì)功函數(shù)對(duì)C-V特性的影響特性的影響.3 .3 絕緣層中電荷對(duì)絕緣層中電荷對(duì)C-V特性的影響特性的影響在實(shí)際的在實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)中，其絕緣層中存在有電荷（通常為正電荷），存在的結(jié)構(gòu)中，其絕緣層中存在有電荷（通常為正電荷），存在的電荷必然對(duì)電荷必然對(duì)MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性產(chǎn)生影響，使半導(dǎo)體表面能帶發(fā)生彎曲，同特性產(chǎn)生影響，使半導(dǎo)體表面能帶發(fā)生彎曲，同樣引起樣引起C-V曲線沿電壓軸平移。曲線沿電壓軸平移。為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須在為了恢復(fù)平帶狀

7、態(tài)，必須在MIS結(jié)構(gòu)上加一定的偏壓。結(jié)構(gòu)上加一定的偏壓。Si-SiO2系統(tǒng)系統(tǒng)Si-SiO2系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關(guān)，其主要的帶電形式有：系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關(guān)，其主要的帶電形式有：可動(dòng)離子：主要是帶正電的可動(dòng)離子：主要是帶正電的Na+ 、 K+ 、 Li+ 、 H+正離子；正離子；固定電荷：位于固定電荷：位于Si-SiO2界面附近界面附近200 處；處；界面態(tài)：界面態(tài)： Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶；界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶；電離陷阱電荷：由射線、電離陷阱電荷：由射線、射線、電子射線等引起的電荷。射線、電子射線等引起的電荷?？蓜?dòng)離子可動(dòng)離子特征：特征：這種

8、電荷不能進(jìn)行充放電，密度用這種電荷不能進(jìn)行充放電，密度用Qfc表示。表示。位于位于Si-SiO2界面界面20 nm范圍以內(nèi)；范圍以內(nèi)；Qfc不明顯受到氧化層厚度或硅中的雜質(zhì)類型及濃度的影響；不明顯受到氧化層厚度或硅中的雜質(zhì)類型及濃度的影響；1. Qfc與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系。與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系。界面態(tài)界面態(tài)界面態(tài)不僅可以使表面勢(shì)發(fā)生變化，影響器件性界面態(tài)不僅可以使表面勢(shì)發(fā)生變化，影響器件性能，還可以起復(fù)合中心的作用，特別是在表面層能，還可以起復(fù)合中心的作用，特別是在表面層出現(xiàn)耗盡層時(shí)，會(huì)使表面復(fù)合中心的作用變得特出現(xiàn)耗盡層時(shí)，會(huì)使表面復(fù)合

9、中心的作用變得特別有效。別有效。因此，盡量減少界面態(tài)是很重要的因此，盡量減少界面態(tài)是很重要的。陷阱電荷陷阱電荷.1.1 表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)的定義：表面電導(dǎo)的定義：表面電導(dǎo)是指在半導(dǎo)體表面層內(nèi)沿平行于表面方向的電導(dǎo)率。表面電導(dǎo)是指在半導(dǎo)體表面層內(nèi)沿平行于表面方向的電導(dǎo)率。表面電導(dǎo)的大小應(yīng)取決于表面電導(dǎo)的大小應(yīng)取決于表面層內(nèi)載流子的多少表面層內(nèi)載流子的多少以及以及表面遷移表面遷移率的大小率的大小。表面層中載流子的數(shù)目，取決于表面勢(shì)的大小，所以表面電導(dǎo)表面層中載流子的數(shù)目，取決于表面勢(shì)的大小，所以表面電導(dǎo)最終也取決于最終也取決于表面勢(shì)表面勢(shì)，或者說(shuō)垂直于表面方向的電場(chǎng)對(duì)表面電，或者說(shuō)垂直于表面

10、方向的電場(chǎng)對(duì)表面電導(dǎo)起著控制作用。導(dǎo)起著控制作用。.2.2 表面遷移率表面遷移率小結(jié)小結(jié)小結(jié)小結(jié)小結(jié)小結(jié)小結(jié)小結(jié)理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容- -電壓特性電壓特性理想情況即假設(shè)：理想情況即假設(shè)： 不考慮功函數(shù)的影響；不考慮功函數(shù)的影響； 忽略絕緣層中的電荷；忽略絕緣層中的電荷； 忽略表面態(tài)的影響；忽略表面態(tài)的影響； 假定絕緣層完全不導(dǎo)電。假定絕緣層完全不導(dǎo)電。討論討論MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性時(shí)，都以單位表面積的電容為準(zhǔn)，特性時(shí)，都以單位表面積的電容為準(zhǔn)，以以P型半導(dǎo)體為例。型半導(dǎo)體為例。小結(jié)小結(jié)Si-SiO2系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關(guān)，其主要的帶電形式有：系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關(guān)，其主要的帶電形式有：可動(dòng)離子：主要是帶正電的可動(dòng)離子：主要是帶正電的Na+