半导体表面与MIS结构.pptx

硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质1.1.二氧化硅中的二氧化硅中的可动离子可动离子2.2.二氧化硅中的二氧化硅中的固定表面电荷固定表面电荷3.3.在硅在硅二氧化二氧化硅界面处的快界面硅界面处的快界面态态4.4.二氧化硅中的陷二氧化硅中的陷阱电荷阱电荷在硅在硅二氧化硅系统中，二氧化硅系统中，存在着多种形式的电荷或存在着多种形式的电荷或能量状态：能量状态：（1 1）二氧化硅中的可动离子）二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子有有NaNa、K K、H H等，其中最等，其中最常见的是常见的是NaNa离子，对器离子，对器件稳定性影响最大。件稳定性影响最大。二氧化硅结构的基本单二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组元是一个由硅氧原子组成的四面体，呈无规则成的四面体，呈无规则排列的多孔网络结构，排列的多孔网络结构，从而导致从而导致NaNa离子易于在离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。二氧化硅中迁移或扩散。外来杂质的主要类型：外来杂质的主要类型：一种是替位型，如磷硼等一种是替位型，如磷硼等 另一种是间隙型，等如钠，钾另一种是间隙型，等如钠，钾一般杂质在二氧化硅中扩散时的扩散系一般杂质在二氧化硅中扩散时的扩散系数具有以下形式数具有以下形式作偏压作偏压温度（温度（B-T）实验，可以测量二氧化硅实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的中单位面积上的NaNa离子电荷量：离子电荷量：单位面积钠离子电荷数：单位面积钠离子电荷数：降低碱金属离子影响的降低碱金属离子影响的降低碱金属离子影响的降低碱金属离子影响的工艺方法：工艺方法：工艺方法：工艺方法：(a)(a)磷稳定化磷稳定化磷稳定化磷稳定化 (b)(b)氯中性化氯中性化氯中性化氯中性化二氧化硅层中固定电荷有如下特征二氧化硅层中固定电荷有如下特征 电荷面密度是固定的，不随偏压而变化；电荷面密度是固定的，不随偏压而变化；这些电荷位于这些电荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内范围以内固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系体的取向有很显著的关系 （2 2）二氧化硅中的固定表面电荷）二氧化硅中的固定表面电荷）二氧化硅中的固定表面电荷）二氧化硅中的固定表面电荷一般认为固定正电荷的实质是过剩硅离子一般认为固定正电荷的实质是过剩硅离子这些电荷出现在这些电荷出现在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内，这个区范围以内，这个区域是域是SiOSiO2 2与硅结合的地方，极易出现与硅结合的地方，极易出现SiOSiO2 2层中的缺陷及层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子实验证明，若在硅晶体取向分别为实验证明，若在硅晶体取向分别为111111、110110和和100100三个方向生长三个方向生长SiOSiO2 2时，他们的硅时，他们的硅二氧化硅结构中二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为的固定表面电荷密度之比约为3:2:13:2:1。将氧离子注入将氧离子注入Si-SiO2Si-SiO2系统界面处，在系统界面处，在450450度进行退火，度进行退火，发现固定表面电荷密度有所下降发现固定表面电荷密度有所下降将将MOSMOS结构加负偏压进行结构加负偏压进行B-TB-T实验，当温度高到一定程实验，当温度高到一定程度（如度（如350350度）时，固定的表面电荷密度有所增加。度）时，固定的表面电荷密度有所增加。固定电荷引起的电压漂移：固定电荷引起的电压漂移：固定电荷引起的电压漂移：固定电荷引起的电压漂移：功函数差与固定电荷引起的电压漂移：功函数差与固定电荷引起的电压漂移：功函数差与固定电荷引起的电压漂移：功函数差与固定电荷引起的电压漂移：则单位面积的固定电荷数目为：则单位面积的固定电荷数目为：则单位面积的固定电荷数目为：则单位面积的固定电荷数目为：（3 3）硅）硅）硅）硅-二氧化硅界面处的快界面态二氧化硅界面处的快界面态二氧化硅界面处的快界面态二氧化硅界面处的快界面态 快界面态：快界面态：快界面态：快界面态：与表面态类似，指未被饱和的悬挂键，位与表面态类似，指未被饱和的悬挂键，位与表面态类似，指未被饱和的悬挂键，位与表面态类似，指未被饱和的悬挂键，位于硅于硅于硅于硅-二氧化硅界面处，形成表面能级，可以快速与半导二氧化硅界面处，形成表面能级，可以快速与半导二氧化硅界面处，形成表面能级，可以快速与半导二氧化硅界面处，形成表面能级，可以快速与半导体的导带或价带交换电荷。之所以称为快界面态是为了与体的导带或价带交换电荷。之所以称为快界面态是为了与体的导带或价带交换电荷。之所以称为快界面态是为了与体的导带或价带交换电荷。之所以称为快界面态是为了与二氧化硅外表面未饱和键以及吸附的分子、原子等所引起二氧化硅外表面未饱和键以及吸附的分子、原子等所引起二氧化硅外表面未饱和键以及吸附的分子、原子等所引起二氧化硅外表面未饱和键以及吸附的分子、原子等所引起的表面态区别开。的表面态区别开。的表面态区别开。的表面态区别开。界面态分类：界面态分类：界面态分类：界面态分类：一般分为施主（能级被电子占据时呈电一般分为施主（能级被电子占据时呈电一般分为施主（能级被电子占据时呈电一般分为施主（能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性）和受主（能级空时为电中性，中性，施放电子后呈正电性）和受主（能级空时为电中性，中性，施放电子后呈正电性）和受主（能级空时为电中性，中性，施放电子后呈正电性）和受主（能级空时为电中性，接受电子后带负电）两种接受电子后带负电）两种接受电子后带负电）两种接受电子后带负电）两种 电子占据施主截面态的分布函数为电子占据施主截面态的分布函数为 单位面积上界面态上的电子数目为单位面积上界面态上的电子数目为 积分后得积分后得对于受主对于受主界面界面态，分布函数为：态，分布函数为：来源：来源：来源：来源：硅表面处晶体周期被破坏及界面处硅价硅表面处晶体周期被破坏及界面处硅价硅表面处晶体周期被破坏及界面处硅价硅表面处晶体周期被破坏及界面处硅价键被全氧化，键被全氧化，键被全氧化，键被全氧化，硅表面的晶格缺陷和损伤，界面处硅表面的晶格缺陷和损伤，界面处杂质杂质 面密度：面密度：面密度：面密度：随晶体取向而改变随晶体取向而改变随晶体取向而改变随晶体取向而改变,按按按按（100100100100）（110110110110）0 0时时时时 开启电压开启电压开启电压开启电压V VT T 场感应结场感应结场感应结场感应结 感应结最大耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图P P区区区区N N+区区区区SiOSiO2 2层层层层栅电极（金属层）栅电极（金属层）栅电极（金属层）栅电极（金属层）V VI IV VGGVD为p-n结内建电势当 Vs2VB(VG=VT)时，若忽略x方向电势降qVs2qVBVD V VI I=V=VR R 0 0 0时时时时 开启电压开启电压开启电压开启电压V VT T 感应结最大感应结最大感应结最大感应结最大 耗尽层宽度耗尽层宽度耗尽层宽度耗尽层宽度栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图P P区区区区N N+区区区区SiOSiO2 2层层层层栅电极（金属层）栅电极（金属层）栅电极（金属层）栅电极（金属层）V VI IV VGGVG=0P-n反偏下，结两端电势差VD+VI更不利于p区表面反型层电子的生成，需加大VG电压VT=2VB+VRVD+VR开始发生强反型时的表面势开始发生强反型时的表面势VsVs可近似表示为：可近似表示为：Vs=VVs=VR R+2V+2VB B化简积分后求得：化简积分后求得：其中其中耗尽层的最大宽度耗尽层的最大宽度 表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场产生的感应结扩大了表面电场产生的感应结扩大了表面电场产生的感应结扩大了表面电场产生的感应结扩大了p-np-n结空间电荷区，结空间电荷区，结空间电荷区，结空间电荷区，导致硅材料导致硅材料导致硅材料导致硅材料p-np-n结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电流增加流增加流增加流增加。表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅界面处的界面态引起总产生电流增加。界面处的界面态引起总产生电流增加。界面处的界面态引起总产生电流增加。界面处的界面态引起总产生电流增加。正常正常正常正常P-nP-nP-nP-n结的反偏电流：为空间电荷区域的激发复合电流结的反偏电流：为空间电荷区域的激发复合电流结的反偏电流：为空间电荷区域的激发复合电流结的反偏电流：为空间电荷区域的激发复合电流而表面电场作用下，处此之外亦有表面反型层电子所形成而表面电场作用下，处此之外亦有表面反型层电子所形成而表面电场作用下，处此之外亦有表面反型层电子所形成而表面电场作用下，处此之外亦有表面反型层电子所形成的电流的电流的电流的电流（2 2）表面电场作用下）表面电场作用下）表面电场作用下）表面电场作用下 p-n p-n 结的反向电流结的反向电流结的反向电流结的反向电流单位体积耗尽区的载流子产生率：单位体积耗尽区的载流子产生率：场感应结耗尽层区的产生电流：场感应结耗尽层区的产生电流：冶金结耗尽层区的产生电流：冶金结耗尽层区的产生电流：当表面耗尽而未反型时表面耗尽区贡献的产生电流：当表面耗尽而未反型时表面耗尽区贡献的产生电流：带入上式得：带入上式得：带入上式得：带入上式得：对完全耗尽层对完全耗尽层对完全耗尽层对完全耗尽层带入带入带入带入得得得得（3 3）表面电场对）表面电场对）表面电场对）表面电场对p-n p-n 结击穿特性的影响结击穿特性的影响结击穿特性的影响结击穿特性的影响当栅极电压使衬底表面反型时，将存在一个和冶金结并联的场感应结对于理想MIS结构，只考虑VG电压带来的影响VRVGVG导致的寄生场感应结n+p+，其I-V特性受VG影响显著,容易产生齐纳击穿在高杂质浓度情况时，击穿机构是齐纳击穿在高杂质浓度情况时，击穿机构是齐纳击穿（4 4）表面钝化）表面钝化）表面钝化）表面钝化对于实际情况，除了栅极电压形成表面电场以外，存在8.4中介绍的（1）半导体与二氧化硅界面吸附的各种带电粒子（2）半导体表面氧化层中的可动离子（3）半导体表面氧化层中的固定电荷（4）半导体表面氧化层中的陷阱电荷都对半导体个表面特性产生重大影响。若氧化层中电荷过大，导致p-n结击穿特性不好而出现低击穿为了提高器件性能，除去不稳定性，发明种种技术来稳定表面性质，这一过程称为表面钝化（1）在SiO2薄膜上再淀积一层对钠离子有阻挡作用的钝化膜，例如磷硅玻璃、氧化铝、氮化硅薄膜等。（2）在热氧化时通入氯化氢惑三氯乙烯等。1100度时通入氯化氢气体可使可动钠离子数量最低。（3）在某些气体中退火以降低固定电荷或界面态密度。