半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)課件

第八章半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)重點(diǎn)：表面空間電荷層的性質(zhì)(表面電場(chǎng)效應(yīng))MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性(理想和非理性MOS電容)多子堆積狀態(tài)平帶狀態(tài)多子耗盡狀態(tài)少子反型狀態(tài)硅–二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)

平帶電壓金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸C0CsVGMIS結(jié)構(gòu)的等效電路MIS結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體表面效應(yīng)支配著大部分半導(dǎo)體器件的特性。

MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）器件電荷耦合器件CCD表面發(fā)光器件等利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)

半導(dǎo)體表面研究，半導(dǎo)體表面理論發(fā)展，對(duì)改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性，探索新型器件等具有重要意義。OSM

最初的MIS結(jié)構(gòu)是由Moll在1959年作為變?nèi)荻O管的電壓控制電容提出的。Al/SiO2/SiMoll當(dāng)時(shí)已經(jīng)建議由MIS電容監(jiān)控氧化硅質(zhì)量。OSM

1962年，Moll的兩位研究生發(fā)表的博士論文（Aninvestigatingofsurfacestateatasiliconsilicondioxideinterfaceemployingmetal-oxide-silicondiodes,SolidStateElectronics,5(5),LewisM.Terman,1962)中對(duì)MIS中界面束縛態(tài)進(jìn)行詳盡研究在兩種材料邊界和界面中，束縛態(tài)稱為界面陷阱。

由C-V特性曲線數(shù)據(jù)給出界面陷阱總密度。OSM

作為半導(dǎo)體表面研究，難度大。側(cè)重于：

實(shí)際表面表面態(tài)概念表面電場(chǎng)效應(yīng)硅－二氧化硅系統(tǒng)性質(zhì)MIS（指金屬—絕緣層—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)的電容—電壓特性等表面效應(yīng)8.1表面態(tài)表面處晶體的周期場(chǎng)中斷；表面往往易受到損傷、氧化和沾污，從而影響器件的穩(wěn)定性；表面往往要特殊保護(hù)措施，如鈍化表面是器件制備的基礎(chǔ)，如MOSFET等一、表面的特殊性二、理想表面理想一維晶體表面態(tài)：薛定諤方程為xV(x)V0E0aE<V0第一組解：等同于一維無(wú)限周期場(chǎng)的解第二組解：對(duì)應(yīng)于表面態(tài)

晶格表面處突然終止，在晶格表面存在未飽和的化學(xué)鍵，稱為懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)稱為表面態(tài)。SiSiSiSiSiSiSi硅表面懸掛鍵示意圖懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴獲得電子—帶負(fù)電獲得空穴—帶正電硅表面原子密度∽1015cm-2,懸掛鍵密度也應(yīng)為∽

1015cm-2三、真實(shí)表面1.清潔表面：在超高真空(UHV)(～10-9Torr)環(huán)境中解理晶體，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得清潔表面，但與理想表面不同：解理后的表面易形成再構(gòu)2.真實(shí)表面自然氧化層（~nm）－大部分懸掛鍵被飽和，使表面態(tài)密度降低表面態(tài)密度1010~1012cm-2（施主型、受主型）3.界面摻雜不同－Sipn(同質(zhì)結(jié))、不同半導(dǎo)體－異質(zhì)結(jié)金半接觸－肖特基接觸晶粒間界－多晶結(jié)構(gòu)金屬－氧化物－半導(dǎo)體－MOSFET

現(xiàn)在理想情況

假設(shè)MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件：（1）Ws=Wm；（2）在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；（3）絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。

討論理想MIS結(jié)構(gòu)金/O/半間加電壓產(chǎn)生垂直于表面的電場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)本表面層內(nèi)的電勢(shì)及電荷分布情況。金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸8.2.1空間電荷層及表面勢(shì)VG=0時(shí)，理想MIS結(jié)構(gòu)的能帶圖MISEFmECEiEFsEVECIEVI金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸VG>0時(shí)，MIS++++----金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸ECEVEFQmQsMIS結(jié)構(gòu)實(shí)際是一個(gè)電容VG>0時(shí)，MIS結(jié)構(gòu)的能帶圖,

空間電荷區(qū)能帶發(fā)生彎曲MIS++++----0dECEVEF0dqVS空間電荷區(qū)內(nèi)：1)空間電場(chǎng)逐漸減弱2)電勢(shì)隨距離逐漸變化能帶彎曲表面勢(shì)(VS)：空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差表面電勢(shì)比內(nèi)部高，VS>0;表面電勢(shì)低于內(nèi)部，VS<0電子能量增加空穴能量增加ECEVEF0dqVSQm

Vs

Qs能帶彎曲++-↓-

-+↑

隨金屬和半導(dǎo)體間所加電壓VG（柵電壓）的不同，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷分布可歸納為以下幾種(以p型半導(dǎo)體為例)：

堆積平帶耗盡反型金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸熱平衡下，費(fèi)米能級(jí)應(yīng)保持定值。

隨著向表面接近，價(jià)帶頂逐漸移近甚至高過(guò)費(fèi)米能級(jí)，價(jià)帶中空穴濃度隨之增加。表面層出現(xiàn)空穴堆積而帶正電荷。越接近表面空穴濃度越高，堆積的空穴分布在最靠近表面的薄層內(nèi)。ECEVEFEiVG<0MISMISEFmECEiEFsEVECIEVI2.平帶狀態(tài)VG=0半導(dǎo)體表面能帶平直，無(wú)彎曲4．少子反型狀態(tài)

金/半間的正電壓進(jìn)一步增大，表面處能帶進(jìn)一步向下彎曲。表面處EF超過(guò)Ei，費(fèi)米能級(jí)離導(dǎo)帶底比離價(jià)帶頂更近。ECEVEiEF少子反型VG>0

表面處電子濃度將超過(guò)空穴濃度，形成與原來(lái)半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的層---反型層。

ECEVEiEF少子反型VG>>0

反型層發(fā)生在近表面，從反型層到半導(dǎo)體內(nèi)部還夾著一層耗盡層。

此時(shí)半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)負(fù)電荷由兩部分組成，一是耗盡層中已電離的受主負(fù)電荷，一是反型層中的電子，后者主要堆積在近表面區(qū)。

ECEVEiEF少子反型VG>>0歸納：多子堆積VG=0平帶狀態(tài)ECEVEFEiVG<0MISMISEFmECEiEFsEVECIEVIVG>0ECEVEiEF多子耗盡ECEVEiEF少子反型VG>>0

問(wèn)題：金/O/n型半結(jié)構(gòu)分析同學(xué)們可試試。8.2.2表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)、電容

通過(guò)解泊松方程定量地求出表面層中電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的分布，以分析表面空間電荷層的性質(zhì)。

金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸VG>0ECEVEiEF多子耗盡空間電荷區(qū)的泊松方程假設(shè)：半導(dǎo)體表面是個(gè)無(wú)限大的面，其線度≧空間電荷層厚度一維近似，(ρ,E,V)不依賴y,z半導(dǎo)體厚度≧空間電荷層厚度半導(dǎo)體體內(nèi)電中性半導(dǎo)體均勻摻雜非簡(jiǎn)并統(tǒng)計(jì)適用于空間電荷層不考慮量子效應(yīng)1a)空間電荷層電場(chǎng)分布

空間電荷層中電勢(shì)滿足的泊松方程為εrs半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)，(x)總空間電荷密度VG>0ECEVEiEF多子耗盡表面層電勢(shì)為V的x點(diǎn)（取半導(dǎo)體內(nèi)電勢(shì)為零），電子和空穴的濃度分別為np0:半導(dǎo)體體內(nèi)平衡電子濃度Pp0:半導(dǎo)體體內(nèi)平衡空穴濃度EC(x)=EC0-qV(x)VG>0ECEVEiEF多子耗盡半導(dǎo)體內(nèi)部，電中性條件成立(x)=0即VG>0ECEVEiEF多子耗盡將式（8-16）～（8-19）代入式（8-15），則得

數(shù)學(xué)上做些處理兩邊乘以dV積分得：從空間電荷層內(nèi)邊界積分到表面兩邊積分，電場(chǎng)強(qiáng)度|E|=-dV/dx，則得

令LD：德拜長(zhǎng)度F函數(shù)則“+”：V>0“-”:V<0求電場(chǎng)表面處，V=Vs，可得半導(dǎo)體表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度E表面勢(shì)為正，能帶下彎電場(chǎng)指向半導(dǎo)體內(nèi)部為正方向VG>0ECEVEiEF多子耗盡

1b）表面電荷分布？

根據(jù)高斯定理：Qs=-εrsε0Es負(fù)號(hào)與規(guī)定有關(guān)（規(guī)定電場(chǎng)強(qiáng)度指向半導(dǎo)體內(nèi)部時(shí)為正）。

Es代入上式，則得

金屬電極為正，Vs>0，Qs負(fù)號(hào)；反之Qs正號(hào)。1c）表面電容分布

上式給出單位面積上的電容，單位為F/m2。多子堆積平帶多子耗盡少子反型進(jìn)行相應(yīng)近似ESQSCS四種基本狀態(tài)的電場(chǎng)、電勢(shì)和電容應(yīng)用上面公式分析表面層的狀態(tài)

1.多子堆積－p型

VG<0，Vs<0,QS>0ECEVEFEiVG<0MIS將上式代入式（8-25），式（8-27）和式（8-31）中，則

表面電荷隨表面勢(shì)的絕對(duì)值∣Vs∣增大按指數(shù)增長(zhǎng)。積累平帶耗盡弱反型強(qiáng)反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4表面勢(shì)越負(fù)，能帶在表面處向上彎曲得越厲害時(shí)，表面層的空穴濃度急劇地增長(zhǎng)。ECEVEFEiVG<0MIS2.平帶狀態(tài)

VG=0時(shí)，表面勢(shì)Vs=0,表面處能帶不發(fā)生彎曲，稱做平帶狀態(tài)。此時(shí)F[qVs/(k0T),np0/pp0]=0

∴Es=0，

Qs=0

MISEFmECEiEFsEVECIEVIVs

0時(shí)

代入式（8-31），化簡(jiǎn)后得

平帶狀態(tài)時(shí)，Vs趨于0，則這時(shí)的電容為

再考慮到p型半導(dǎo)體中np0《pp0，最后得

計(jì)算MOS結(jié)構(gòu)的平帶電容時(shí)，要利用這一結(jié)果。3.耗盡狀態(tài)

VG為正：大小不足使表面處禁帶中央能量Ei彎曲到費(fèi)米能級(jí)以下，表面未反型，空間電荷區(qū)處于耗盡。

VS>0，有VG>0ECEVEiEF多子耗盡將上式代入式（8-26）及式（8-27），得VG>0ECEVEiEF多子耗盡表面電場(chǎng)強(qiáng)度和表面電荷數(shù)正比于（Vs）1/2

。

Es為正值，說(shuō)明表面電場(chǎng)方向與x軸正向一致；

Qs為負(fù)值，表空間電荷是電離受主雜質(zhì)形式的負(fù)電荷。積累平帶耗盡弱反型強(qiáng)反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4耗盡時(shí)表面空間電荷區(qū)的電容可從式（8-31）求得為

將式（8-23）的LD代入上式，電離飽和時(shí)Pp0=NA，則得

“耗盡層近似”處理設(shè)空間電荷層的空穴全部耗盡，電荷全由已電離的受主雜質(zhì)構(gòu)成。

若半導(dǎo)體摻雜均勻，則ρ(x)=-qNA，泊松方程為

Xd：耗盡層寬度，半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度及電勢(shì)為零，邊界條件：積分代入（8-41），得

表明Cs相當(dāng)距離為xd的平板電容器的單位面積電容。

xd表面處x=0，則得表面電勢(shì)

從耗盡層近似很易得出半導(dǎo)體空間電荷層中單位面積的電量為Qs=-qNAxd（8-45）與由式（8-39）中代入LD值所得結(jié)果相同。4.反型狀態(tài)外加正電壓VG增大，表面處禁帶中央能值Ei可降到EF下，出現(xiàn)反型層。以表面處少子濃度ns是否超過(guò)體內(nèi)多子濃度pp0為標(biāo)志。強(qiáng)反型弱反型ECEVEiEF少子反型VG>>0表面處少子濃度為

表面處少子濃度ns=pp0時(shí)，上式化為另?yè)?jù)玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)得qVB=Ei-EFqVBqVBECEVEFEi強(qiáng)反型臨界條件時(shí)的能帶圖得強(qiáng)反型的條件Vs≥2VB(8-47)qVBqVBECEVEFEi強(qiáng)反型臨界條件時(shí)的能帶圖發(fā)生強(qiáng)反型的臨界條件：Vs=2VB圖表示這時(shí)表面層的能帶彎曲。qVBqVBECEVEFEi強(qiáng)反型臨界條件時(shí)的能帶圖以pp0=NA代入式（8-46），得

則強(qiáng)反型條件可寫為

從上式知，襯底雜質(zhì)濃度越高，Vs越大，越不易達(dá)強(qiáng)反型?！?/p>

開(kāi)啟電壓：對(duì)應(yīng)于表面勢(shì)Vs=2VB時(shí)金屬板上加的電壓稱做開(kāi)啟電壓，以VT表示之。即當(dāng)Vs=2VB，

∵np0=niexp[-qVB/(k0T)]，

pp0=niexp[qVB/(k0T)]∴np0/pp0=exp[-2qVB/(k0T)]

臨界強(qiáng)反型Vs=2VB，因而np0/pp0=exp[-qVs/(k0T)]。

F函數(shù)為：計(jì)算ES,QS,CS當(dāng)qVs》k0T時(shí)，exp[-qVs/(k0T)]《1，F(xiàn)函數(shù)為

代入式（8-26）及（8-27），得到臨界強(qiáng)反型時(shí)的

弱反型，耗盡層近似依然適用積累平帶耗盡弱反型強(qiáng)反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4ECEVEFEiqVBqVS弱反型：Vs（VB，2VB）

強(qiáng)反型后，Vs》2VB，且qVs》k0T

將上式代入式（8-26）及（8-27），則

強(qiáng)反型|Qs|隨Vs按指數(shù)規(guī)律增大積累平帶耗盡弱反型強(qiáng)反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4

強(qiáng)反型表面空間電荷層的電容為上式表明Cs隨表面電子濃度的增加而增大。出現(xiàn)強(qiáng)反型后，外加電場(chǎng)被反型層中積累的電子所屏蔽，表面耗盡層寬度就達(dá)到一個(gè)極大值xdm，

xdm由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度來(lái)確定。1)材料一定，NA↑,xdm↓2)Eg↑，ni↓,xdm↑表面反型層舉例：VSqVBqVBECEVEFEi強(qiáng)反型臨界條件時(shí)的能帶圖反型層耗盡層在出現(xiàn)強(qiáng)反型后，半導(dǎo)體面積上的電荷量Qs是兩部分組成的:電離受主的負(fù)電荷QA=-qNAxdm反型層中的積累電子小結(jié)qVBECEVEFEiqVS耗盡：Vs>0，且接近VBECEVEFEiqVBqVS弱反型：Vs（VB，2VB）ECEVEFEiqVBqVS強(qiáng)反型：

qVBECEiEFEV堆積：Vs<0E5.深耗盡狀態(tài)

以上討論假設(shè)金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG不變空間電荷層的平衡狀態(tài)，或變化速率很慢以至表面空間電荷層中載流子濃度能跟上偏壓VG變化的狀態(tài)。

實(shí)際上尚存在深耗盡的非平衡狀態(tài)。

p型為例，金/半間加一脈沖階躍電壓或高頻正弦波形成的正電壓時(shí)，由于空間電荷層內(nèi)的少子的產(chǎn)生速率趕不上電壓的變化，反型層來(lái)不及建立，只有靠耗盡層延伸向半導(dǎo)體內(nèi)深處而產(chǎn)生大量受主負(fù)電荷以滿足電中性條件。

在脈沖式外電場(chǎng)的作用下，即使達(dá)到了，但是由于少數(shù)載流子的產(chǎn)生需要一定的時(shí)間，也不會(huì)立即出現(xiàn)反型層，而仍保持為耗盡的狀態(tài)（此時(shí)的耗盡厚度比最大耗盡層厚度還要大）。

多數(shù)載流子完全被耗盡，應(yīng)該出現(xiàn)，但是一時(shí)不出現(xiàn)反型層的一種半導(dǎo)體表面狀態(tài)。半導(dǎo)體表面深耗盡的區(qū)域是少數(shù)載流子的一種勢(shì)阱，可以容納注入到其中的少數(shù)載流子深耗盡狀態(tài)是實(shí)際中經(jīng)常遇到的一種狀態(tài)1.采用C-V法測(cè)試雜質(zhì)濃度分布2.用電容-時(shí)間法測(cè)量襯底中少子壽命時(shí)3.CCD和熱載流子的雪崩注入CCD:半導(dǎo)體表面深耗盡勢(shì)阱來(lái)存儲(chǔ)信號(hào)電荷、并進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移的一種器件，它可用于攝像（光注入信息電荷）、信息處理和數(shù)字存儲(chǔ)等微細(xì)加工中心C-V測(cè)試系統(tǒng)8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容(Capacitance)-電壓(Voltage)特性金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸C0CsVGMIS結(jié)構(gòu)的等效電路MIS結(jié)構(gòu)示意圖VFB理想實(shí)際C/C00VGP型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性8.3.1理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性

MIS加VG，VG一部分V0降在絕緣層上，另一部在半導(dǎo)體表面層中，形成表面勢(shì)Vs，即

VG=V0+Vs

金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸

理想MIS，絕緣層沒(méi)電荷，絕緣層中電場(chǎng)E0均勻，絕緣層厚度d0

。則

V0=E0d0金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸金屬表面面電荷密度QM由高斯定理等于絕緣層內(nèi)的電位移

QM=

，得

r0絕緣層相對(duì)介電常數(shù)。QM=－Qs，上式化為絕緣層單位面積電容。金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸

將代入VG=V0+Vs得VG表示式金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸MIS結(jié)構(gòu)電容為

將代入上式，得分子分母除以－dQs，令金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸則得表明MIS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)，可得MIS等效電路如圖。C0CsVG金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸理想MIS結(jié)構(gòu)C-V特性多子堆積區(qū)：平帶狀態(tài)：多子耗盡：少子反型：型半導(dǎo)體p◆堆積狀態(tài)VG<0，Vs<0VGC0d0CsECEVEFEiVG<0MIS

1)加較大負(fù)偏壓時(shí)，|Vs|較大，C/C0=1，C=C0。半導(dǎo)體從內(nèi)部到表面可看成是導(dǎo)通的，電荷聚集在絕緣層兩邊，如AB段ABCEFC0CFBC0DCminC’min低頻GH高頻+VVGC0d0Cs02）VG0,Vs0,|Vs|較小時(shí)，C/C0<1,隨Vs減少而減少，如BC段ABCEFC0CFBC0DCminC’min低頻GH高頻+V

◆

平帶狀態(tài)。VG=0，Vs=0ABCEFC0CFBC0DCminC’min低頻GH高頻+V歸一化電容與襯底摻雜濃度(NA)和絕緣層厚度(d0)有關(guān)d0一定，NA↑，CFB/C0↑，表面空間電荷層隨NA增大變薄。2)NA一定，絕緣層厚度(d0)越大，C0越小，CFB/C0也越大。

◆多子耗盡VG>0，未反型VG↑，xd↑,Cs↓,C/C0↓平行電容器等效

VG>0ECEVEiEF多子耗盡ABCEFC0CFBC0DCminC’min低頻GH高頻+V◆強(qiáng)反型狀態(tài)：a)低頻狀態(tài)(10~100Hz)，電子的產(chǎn)生與復(fù)合跟得上小信號(hào)的變化。

Vs較大，qVs>2qVB》k0T，C/C0=1,MIS電容又上升到絕緣層電容,如圖中EF段所示。0VS=2VB

VG=VT（閾值電壓，開(kāi)啟電壓）ABCEFC0CFBC0DCminC’min低頻GH高頻+Vb)高頻時(shí)，電子的產(chǎn)生與復(fù)合跟不上高頻信號(hào)的變化，反型層電子對(duì)電容沒(méi)有貢獻(xiàn)，空間電荷區(qū)的電容由耗盡層的電荷變化決定MIS電容是絕緣層電容及與最大耗盡層厚度xdm對(duì)應(yīng)耗盡層電容的串聯(lián)組合。最大耗盡電容Cs=

rs0/xdm，C0=r00/d0

得對(duì)同種半導(dǎo)體材料，T定，Cˊmin/C0為d0及NA的函數(shù)。

d0定，NA大，Cˊmin/C0值就越大。

由此可測(cè)半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度。

高頻條件下，理想MIS結(jié)構(gòu)的歸一化極小電容與氧化層厚度關(guān)系

這種方法測(cè)得的是絕緣層下半導(dǎo)體表面層中的真實(shí)濃度，可用此法測(cè)熱氧化引起硅表面的雜質(zhì)再分布。

高頻條件下，理想MIS結(jié)構(gòu)的歸一化極小電容與氧化層厚度關(guān)系◆低頻，弱反型VG>0,VG↑,d↑,Qs:從V1/2exp(qVs/2k0T)Cs=dQs/dVs:從V-1/2exp(-qVs/k0T)C-↓→↑DE段ABCEFC0CFBC0DCminC’min低頻GH高頻+V◆深耗盡情況（快速C-V掃描）從深耗盡到熱平衡反型層所需的熱馳豫時(shí)間τth為1-100s反型層的建立不是一個(gè)很快的過(guò)程快速直流偏壓掃描導(dǎo)致反型層不能建立，“耗盡層近似”依然適用，d>dmax,Cs∝V-1/2

C↓右圖GI段ABCEFC0CFBC0DCminC’min低頻GH高頻+V

MIS結(jié)構(gòu)電容與頻率有關(guān)

不同頻率下C-V特性曲線變化大。在開(kāi)始強(qiáng)反型時(shí)，低頻信號(hào)測(cè)得的電容值接近絕緣層的電容C0。C/C0VGO10Hz102Hz105Hz測(cè)試頻率對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性影響n型半導(dǎo)體的C-V特性低頻高頻0+Vn型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性結(jié)論理想MIS結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體材料與絕緣層材料一定時(shí)，C-V特性隨半導(dǎo)體材料摻雜濃度及絕緣層厚度d0而變；C-V特性與頻率有關(guān)實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性VFB理想實(shí)際C/C00VG意義：分析實(shí)驗(yàn)C-V曲線，可監(jiān)控集成電路生產(chǎn)制造工藝，以及對(duì)MIS晶體管、可靠性物理及失效機(jī)理作基本分析功函數(shù)和絕緣層電荷的影響金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸8.3.2金/半功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性影響

理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性未考慮金、半功函數(shù)差及絕緣層中存在電荷等因素影響。

這些因素對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

求平帶電壓，思想：串聯(lián)反向電池Ws>Wm，電子從金屬流向半導(dǎo)體中。在p硅表面層內(nèi)形成帶負(fù)電的空間電荷層，在金屬表面產(chǎn)生正電荷。Al-SiO2-Si(p-type)AlP-SiSiO2EFE表面能帶向下彎曲WAl4.25eVχ:4.05eVWsqVBEFmECEVEFsEiE0SiO2AlP-Si硅內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于金屬的費(fèi)米能級(jí)就要向上提高平衡半導(dǎo)體中電子的電勢(shì)能相對(duì)于金屬提高數(shù)值為可寫為AlP-SiSiO2EFE金、半功函數(shù)不同，偏壓為零時(shí)，半導(dǎo)體表面層并不處于平帶狀態(tài)。AlP-SiSiO2EFE

要恢復(fù)平帶狀態(tài)，須在金屬鋁與半導(dǎo)體硅間加一定負(fù)電壓，抵消兩者功函數(shù)不同引起的電場(chǎng)和能帶彎曲?；謴?fù)平帶狀態(tài)所需加的電壓叫平帶電壓，以VFB表示

ECEVEiEFAlP-SiSiO2qVFBWmWs平帶電壓平帶電壓

C-V曲線整體沿電壓軸負(fù)方向平移了一段距離VFB，形狀不變理想功函數(shù)C/C00VGVFB通過(guò)與理想C-V比較，CFB

VFB

Vms

Wm8.3.3絕緣層中電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響VFB理想絕緣層電荷C/C00VG影響C-V曲線沿電壓軸平移設(shè)Wm=Wsa)面電荷分布b)體電荷分布a)面電荷分布：假設(shè)在SiO2中有一薄層正電荷，離Al表面距離為x，單位面積上電量為QAlSiO2p-Si0xx+

+

+

+

+-----空間電荷層內(nèi)有電場(chǎng)產(chǎn)生，能帶發(fā)生彎曲AlP-SiSiO2EFE

為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，在金屬板(Al)上加負(fù)電壓，使電力線終止于金屬表面AlSiO2p-Si0xx+

+

+

+

+----

-VG<0由于半導(dǎo)體表面層電場(chǎng)完全被金屬表面負(fù)電荷產(chǎn)生電場(chǎng)所抵消，表面層能帶彎曲消失。電場(chǎng)集中在金屬與薄層電荷之間VFB=-∣E│x，∣E∣金屬與薄層電荷間電場(chǎng)強(qiáng)度。

AlSiO2p-Si0xx+

+

+

+

+----

-VG<0由高斯定理，金屬與薄層電荷之間的電位移D等于電荷面密度Q，而D=εr0ε0∣E∣

，有：

Q=εr0ε0∣E∣

（8-74）

把上式代入式V

FB=-∣E∣x中，則得AlSiO2p-Si0xx+

+

+

+

+----

-VG<0

絕緣層單位面積電容εr0ε0=C0d0，代入上式，得

薄層電荷靠近半導(dǎo)體（x=d0），上式有最大值，即

貼近金屬表面時(shí)（x=0）,VFB=0。AlSiO2p-Si0xx+

+

+

+

+----

-VG<0結(jié)論：絕緣層中電荷越接近半導(dǎo)體表面，對(duì)C-V特性的影響越大；位于金屬與絕緣層界面處時(shí)，對(duì)C-V特性沒(méi)有影響。

AlSiO2p-Si0xx+

+

+

+

+----

-VG<0b)體電荷分布絕緣層中若存在非薄層電荷，而是某種體電荷分布?？煞殖蔁o(wú)數(shù)層薄層電荷，由積分求出平帶電壓。

設(shè)電荷密度為(x)，dx薄層內(nèi)，單位面積上電荷ρ(x)dx。抵消這薄層電荷影響所加的平帶電壓為+

+

+

+

+----

-AlSiO2p-Si0dxxVG<0x為抵消整個(gè)絕緣層內(nèi)電荷影響所需加的平帶電壓VFB為：+

+

+

+

+----

-AlSiO2p-Si0dxxVG<0x

所以，當(dāng)MIS結(jié)構(gòu)的絕緣層中存在體電荷時(shí)，可引起其C-V曲線沿電壓軸平移VFB。表示平帶電壓VFB與絕緣層中電荷的一般關(guān)系.+

+

+

+

+----

-AlSiO2p-Si0dxxVG<0x功函數(shù)和絕緣層電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響絕緣層中的電荷：Qf(c/cm2)（面電荷分布）Qm和Qox（c/cm3）（體電荷分布）VFB1理想絕緣層電荷C/C00VG功函數(shù)VFB2溫-偏(B-T)實(shí)驗(yàn)：測(cè)量MOS工藝中鈉離子沾污。V=10V-10V溫度：150°C∽250°C30min外電場(chǎng)和溫度場(chǎng)下Na+可動(dòng)AlSiO2Si8.4硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)電荷分類：可動(dòng)離子固定電荷界面態(tài)電離陷阱電荷××××××+++++++■■■■■■MI(SiO2)SNaNaNaNaNaNaNaNaNa可動(dòng)離子+電離陷阱■固定電荷×

界面態(tài)8.4.1二氧化硅層中的可動(dòng)離子Na+，K+、H+等正離子。

在一定溫度和偏壓條件下，可在二氧化硅層中遷移，對(duì)器件的穩(wěn)定性影響最大。××××××+++++++■■■■■■MI(SiO2)SNaNaNaNaNaNaNaNa來(lái)源于沾污8.4.2二氧化硅層固定表面電荷1、位于硅-二氧化硅界面20nm范圍以內(nèi)，2、外加電場(chǎng)下，不能在二氧化硅中遷移3、過(guò)剩硅離子(Si+)是固定表面正電荷產(chǎn)生原因4、[111]>[110]>[100]5、不和體硅交換電荷6、不依賴于硅摻雜和氧化層厚度7、與熱處理有關(guān)××××××+++++++■■■■■■MI(SiO2)SNaNaNaNaNaNaNaNa8.4.3硅-二氧化硅界面處快界面態(tài)硅-二氧化硅界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶?？稍诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)和襯底半導(dǎo)體交換電荷-快界面態(tài)QitDit

××××××+++++++■■■■■■MI(SiO2)SNaNaNaNaNaNaNaNa1Dit1010-1012cm-2eV-12Dit在禁帶中存“U”形分布3Qit與晶向關(guān)系：[111]>[110]>[100]4Qit依賴退火處理

圖中1為原始C-V曲線，開(kāi)始鈉離子聚集在鋁與二氧化硅間，對(duì)C-V特性沒(méi)有影響。

××××××+++++++■■■■■■MI(SiO2)SNaNaNaNaNaNaNaNaVG0C/C0123初始漂移部分恢復(fù)由于鈉離子沾污引起C-V特性的移動(dòng)8.4.4二氧化硅中的陷阱電荷由離化輻照(x射線、γ射線、電子射線)等原因感應(yīng)出空間電荷生成。

××××××+++++++■■■■■■MI(SiO2)SNaNaNaNaNaNaNaNaNa可動(dòng)離子+電離陷阱■固定電荷×

界面態(tài)曲線2是加正偏、加溫處理后，鈉離子移到靠近半導(dǎo)體表面處，對(duì)C-V影響最大，C-V曲線向左移動(dòng)到2處。VG0C/C0123初始漂移部分恢復(fù)由于鈉離子沾污引起C-V特性的移動(dòng)再加負(fù)偏壓下在一定T下退火后，鈉離子又移到靠近鋁和二氧化硅交界處，但二氧化硅中保留部分殘余鈉離子，C-V特性部分恢復(fù)，如曲線3所示。

VG0C/C0123初始漂移部分恢復(fù)由于鈉離子沾污引起C-V特性的移動(dòng)測(cè)出圖中1及2平帶電壓差ΔVFB，即可算出二氧化硅中每單位面積上的鈉離子電荷量，QNa=C0ΔVFB(8-82)C0單位面積二氧化硅電容，可算單位面積鈉離子數(shù)VG0C/C0123初始漂移部分恢復(fù)由于鈉離子沾污引起C-V特性的移動(dòng)結(jié)論高頻MOS電容-電壓特性測(cè)試時(shí)研究MOS器件半導(dǎo)體界面特性的重要方法可測(cè)試：導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜濃度(NA或ND)SiO2厚度(d0)氧化層固定電荷密度氧化層可動(dòng)電荷密度NA或NDd0平帶電容CFB4、

CFBNA或NDVFB柵電極功函數(shù)6、VmsQI/qB-T實(shí)驗(yàn)Qf/q5、

例題：用n型硅單晶片作為襯底制成MOS二極管。鋁電極面積A=1.6×10-7m2。在150°C下進(jìn)行負(fù)B-T和正B-T處理。分別測(cè)得如圖所示的C-V曲線(1)、(2)。求二氧化硅界面處的正電荷密度和二氧化硅中的可動(dòng)離子面密度。228.16C0Cmin(1)(2)-9.8-17+VG(V)-VG(V)例2：計(jì)算下列情況下，平帶電壓的變化。（1）氧化層中均勻分布著正電荷；（2）三角形電荷分布，金屬附近高，硅附近為零；（3）三角形電荷分布，硅附近高，金屬附近為零。設(shè)三種情況下，單位表面積的總離子數(shù)都為1012/cm2。氧化層厚度均為0.2um;εr0=3.9,ε0=8.85×10-14F/cm8.5表面電導(dǎo)及遷移率表面電導(dǎo)：討論半導(dǎo)體表面層內(nèi)沿平行于表面方向的電導(dǎo)問(wèn)題。表面電導(dǎo)取決于表面層內(nèi)載流子的數(shù)量、遷移率。載流子數(shù)量及遷移率越大，表面電導(dǎo)也越大。SDGV重要性：?jiǎn)挝幻娣e的表