资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 半导体表面特性及MOS电容,电子科技大学成都学院,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢您,第,7,章,半导体表面特征及MOS电容,7.1 半导体表面和界面结构,7.2 表面势,7.3 MOS结构电容电压特征,7.4 MOS结构阈值电压,7.5 习题,第1页,本章重点,硅-二氧化硅界面中存在,不利原因和消除办法,MOS,结构中C-V曲线揭示了,氧化层等器件质量性能,阈值电压表征半导体表面反型状态，,它是MOS器件基础,第2页,7.1 半导体表面和界面结构,半导体器件特征与半导体表面特征性质有尤其主要联络。在超、特大集成电路快速发展今天，半导体器件制造相当多是在很薄一层表面内完成（几个微米甚至更小），因而，怎样有效控制和完善半导体表面质量，从而深入利用半导体表面效应，可用来制造比如,MOS（金属-氧化物-半导体）器件,、CCD（电荷耦合器件）、LED（发光二极管）、LCD（液晶显示）、半导体激光等表面发光器件，以及太阳能电池等表面感应器件。,第3页,理想表面（清洁表面）,原子完全有规则排列所终止一个平面。,表面排列整齐硅原子与体内硅原子形成共价键，但因为表面价键处于所谓“,悬挂键,”空置状态，其状态极其不稳定，表面很轻易吸附一些其它原子比如空气中氧原子而形成氧化层。,7.1.1 清洁表面和真实表面,名词解释-悬挂键：,普通晶体因晶格在表面处突然终止，在表面,最外层每个原子将有一个未配正确电子，即有一个未饱和,键，这个键称为悬挂键。,第4页,真实表面,用,化学方法,形成半导体表面，暴露在空气中，存在氧化层或吸附其它原子。,表面存在“悬挂键”，对电子有受主性质，存在一些能够容纳电子能量状态，称为“表面能级”或“表面态”。,表面能级在禁带中靠近价带顶位置，准连续,。,真实表面,内表面,外表面,第5页,表面能级密度,单位面积所含有表面态数目。cm,-2,表面费米能级,(E,F,),S,载流子填充表面能级状态。,电子填充带负电；,空穴填充带正电。,第6页,内表面,真实表面存在天然氧化层，,半导体与天然氧化层交界面；,内表面能级密度比原子密度小好几个数量级。,外表面,天然氧化层与外界接触交界面。,第7页,快态能级,在毫秒甚至更短时间内完成与体内交换电子。（内表面）,需较长时间完成与体内交换电子。（外表面）,慢态能级,第8页,S,i,-S,i,O,2,界面结构,利用热生长或化学汽相淀积人工生长S,i,O,2,可有厚达几千埃（10,-10,m），外表面能级几乎无法与体内交换电子，S,i,-S,i,O,2,界面有别于理想表面和真实表面，慢态能级和外界气氛对半导体内影响很小。,S,i,O,2,惯用作MOS结构中绝缘介质层，器件有源区之间场氧化隔离，选择掺杂掩蔽膜，钝化保护膜等。,7.1.2 硅-二氧化硅界面结构,第9页,硅-二氧化硅界面，,二氧化硅层中,，存在一些严重影响器件性能原因，主要是氧化层中,可动离子,，,固定氧化层电荷,，,界面陷阱,，以及辐射、高温高负偏置应力会引发附加氧化层电荷增加等。,第10页,可动离子,在人工生长二氧化硅层中存在着一些可移动正电荷，它们主要是沾污氧化层一些离子。刚沾污时，这些正离子都在氧化层外表面上。在电场及温度作用下，它们会漂移到靠近硅-二氧化硅界面处，在硅表面处感应出负电荷，对器件稳定性有很大影响。其中最主要是,钠离子,（Na,+,），它在二氧化硅中进行漂移激活能很低，所以,危害很大,。,第11页,为了预防和去掉钠离子沾污影响，除了严格执行工艺要求预防离子沾污外，提升制备材料（如化学试剂、气体等）纯度，改进工艺装备和方法，是取得稳定MOS器件主要伎俩。当前有两种工艺被广泛应用：,磷稳定化,和,氯中性化,。,磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动钠离子总是进入氧化层中富磷区，一旦离子被陷在磷硅玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，确保二氧化硅内碱金属离子最小状态。,氯中性化在即生长二氧化硅层时，将少许氯化合物一起反应生成一个新材料，它是位于氧化层-硅界面氯硅氧烷，当钠离子迁移到氧化层-硅界面时会被陷住中和，实现稳定化。,第12页,试验表明硅-二氧化硅界面附件二氧化硅一侧内存在一些固定正电荷，它们大致分布在近界面100范围内。对半导体表面电性质有主要影响。其,特点,可总结分析以下：,（1）固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关；,（2）固定电荷受不一样晶向影响而改变，其密度（111）表面最大，（100）表面最小，二者百分比大约为3：1；,（3）固定电荷密度与氧化条件（如氧化气氛、炉温）紧密相关，温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意，当氧化过程中经过不一样温度条件生长氧化层，其固定电荷由最终温度决定；,（4）氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火（加热）足够长时间，不论其生长氧化层温度高还是低，总能够取得最小固定电荷密度值。,固定正电荷,第13页,先生长氧化层却是留在外表面，而后生长氧化层则是留在与硅接触内表面，即界面处，这也就是界面处固定电荷为何由最终氧化温度决定道理（氧化温度越低，固定正电荷密度越大）。降低固定电荷标准工艺，即在惰性气体中,退火,，图中可见它Q,F,（单位栅面积固定电荷）值最小。,第14页,界面陷阱（界面态）,界面陷阱,普通分布于整个禁带范围内，有甚至能够高于导带底（E,C,）和低于价带顶（E,V,）。,界面陷阱能够是,施主型,，也能够是,受主型,。,产生界面陷阱主要因为半导体表面不完全化学键或所谓“悬挂键”引发。界面价键在形成氧化层时，没有被饱和而悬挂着，就会变成界面陷阱。,第15页,（1）界面陷阱密度在（111）表面最大，在（100）表面最小，禁带中央其界面态百分比大约为3：1；,（2）界面陷阱在干氧气氛中氧化后，其密度较高，禁带中央为10,11,10,12,/cm,2,eV，氧化温度越高，界面态密度越大；,（3）在较低温度（500）含氢气气氛中退火能够减小界面态密度，禁带中央为10,10,/cm,2,eV，不过在惰性气氛高温（600）下退火却不能降低；,（4）界面陷阱密度在禁带中央区域基本不变，在靠近价带顶和导带底边缘增加很快。且数目相等、电性相反，即导带下应该是施主型界面态，价带上应该是受主型界面态。,界面陷阱特点：,第16页,减小界面态方法除了氢气退火外，还可用金属后退火工艺，在金属后退火温度下活性栅材料（铝）会在氧化层表面与水蒸气反应，释放出氢原子，它会经过二氧化硅层与悬挂键结合，从面减小界面态密度。,界面态能量分布和退火前后界面态密度比较,第17页,电离陷阱,固态器件中,辐射损伤,一直是航空和军事应用上碰到主要问题。有些损伤会直接造成失效，而更多可能使器件和系统退化，影响其性能和使用。,辐射损伤主要过程,：首先在氧化层中产生电子-空穴对，其一部分会立刻复合，剩下部分在氧化层中电场作用下分离，电子和空穴沿相反方向加速，因为电子迁移率比空穴大，电子会快速离开氧化层（纳秒数量级），而空穴因为跃迁一段时间后抵达S,i,-S,i,O,2,界面，它会与来自硅电子复合或在深能级处被陷住，一旦陷住后，就类似于固定电荷（称之为电离陷阱）。同时，辐射还能增加界面态。,第18页,第19页,热退火能够很轻易地去除如离子注入、电子束蒸发、等离子溅射等工艺过程中辐射损伤，但制备后器件中实际恢复是相对有限，所以更可取方法是对器件进行“,加固,”。,比如：栅氧化温度低于1000来加固氧化层，使辐射敏感度降低。铝屏蔽加固可阻止大多数空间带能粒子，并增大MOS场效应管阈值电压，减弱辐射造成栅电压改变对阈值电压影响。,第20页,作业,P127 2，3，4，5,第21页,补充基本概念,真空能级：电子完全脱离材料本身束缚所需最小能量,功函数,1,：从费米能级到真空能级能量差,电子亲和势,2,：从半导体表面导带到真空能级能量差,金属,M,，对某一金属是一定，对不一样金属是不一样,半导体,S,=+（E,C,-E,F,）,FB,，随掺杂浓度而变,对同一个半导体而言是一定，Ge,Si,GaAs分别为4.0,4.03,4.07eV.,第22页,7.2 表面势,我们已经对S,i,-S,i,O,2,界面电荷情况作了详细讨论。再在氧化层上深入淀积一层金属（通常是铝）就组成所谓,MOS结构,，它是当前制造器件基本结构形式。,中间绝缘层（S,i,O,2,）将金属板和半导体两个电极隔开,。,MIS结构,第23页,理想MOS结构定义,（1）金属栅足够厚,是等势体,（2）氧化层是完美绝缘体,无电流流过氧化层,（3）在氧化层中或氧化层-半,导体界面没有电荷中心,（4）半导体均匀掺杂,（5）半导体足够厚，不论V,G,多大，总有零电场区域,（6）MOS电容是一维结构，全部,变量仅是x函数,（7）,M,=,S,=+(E,C,-E,F,),FB,（8）半导体与器件后面金属,之间处于欧姆接触,金属-氧化物-半导体电容,栅,背接触或衬底接触,0.011.0,m,第24页,如图，V=0时，其能带情况，图中金属功函数为 ，半导体功函,数为 ，二者差为零，为,电子亲和力,，而 为费米能级,与本征费米能级能级差。,第25页,试画出理想MOS结构（N型半导体为衬底）平衡时能带图。,第26页,空间电荷区,实际MIS结构就可看作一个平行板电容器。我们从上面图中得知，在不加电压情况下，其能带是平（,平带情况,），当两端加一定电压后，金属和半导体两个面将被充电，它们所带电荷符号相反，电荷分布也不一样。金属中电荷分布在,一个原子层厚度,范围内；而半导体中，因为自由载流子密度要低得多，电荷必定在,一定厚度表面层内,分布，这个带电表面层称,空间电荷区,。,第27页,空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐步减弱到零，其各点电势也要发生改变，这么表面相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端电势差为,表面势,S,。,表面势,第28页,MIS结构加正向电压时,，金属侧积累正电荷，在半导体表面一薄层内便形成了一个负空间电荷区，同时形成了一个方向指向半导体内部表面电场。也能够说在半导体表面存在一个电势差，各点静电势(x)逐步下降。抵达电中性后，各点静电势保持相等，,第29页,如图(a)所表示。,图中体内电势取为零，,S,称为表面电势，对于负,空间电荷情况，表面势为正，E为表面电场。从能带观点看，,表面能带将发生弯曲。因为电子电势能为-q(x)，所以能带自,半导体内部到表面向下弯曲。,图(b)表明,负空间电荷区表面能带向下,弯曲情况。此时，表面与体内到达了热平衡，含有共同,费米能,级,；,空间电荷区中负电荷恰好与金属中正电荷相等。,第30页,MIS结构加反向电压时,，金属侧积累负电荷，半导体表面一层便形成正空间电荷区。此时，表面势,S,是负，表面电场由半导体指向外界，表面能带向上弯曲，如图所表示。,第31页,表面积累,（对P型半导体而言）,（1）施加一个负电压（V0）于金属平板上时，半导体表面将产生超量正载流子（空穴），表面势为负，表面能带向上弯曲。,7.2.2表面积累、耗尽和反型,第32页,如图（a）所表示。,半导体表面向上弯曲能带使得E,i,-E,F,能级差变大，,价带顶逐步移近甚至超出表面费米能级,，进而提升空穴浓度，造成表面空穴堆积，此种情况称为,表面积累,。与之对应电荷分布如右半部分所表示，其中，Q,S,为半导体中每单位面积正电荷量，而Q,m,为金属中每单位面积负电荷量，它们,数量是相等，符号相反,。,第33页,表面耗尽,（2）施加一个正电压（V0）于金属板上时，表面势为正值，表面处能带向下弯曲,第34页,如图（b）所表示。,这时越靠近表面，,价带顶离费米能级越远,，价带中空穴浓度随之降低。而且，外加正电压越大，能带向下弯曲越深；越靠近表面，空穴浓度比体内低得多，,表面层负电荷基本上等于电离受主杂质浓度,，这种情况称,表面耗尽,。半导体中每单位面积空间电荷,Q,SC,值为,qN,A,W,，其中,W,为表面耗尽区宽度。,第35页,表面反型,施加一个更大正电压时，表面处能带深入向下弯曲，如图（c）所表示。,表面处费米能级位置高于禁带中央能级E,i,，也就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，这意味着表面处性质发生根本性改变，表面电子浓度超出空穴浓度，表面导电类型由空穴型转变成电子型，这种情况称表面反型。反型层X,i,发生在近表面，且厚度很薄，而紧靠其内部还夹着一层耗尽层，厚度比反型层大很多。,第36页,如图（c）所表示。,表面处费米能级位置高于禁带中央能级E,i,，也就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，这意味着,表面处性质发生根本性改变,，表面电子浓度超出空穴浓度，,表面导电类型由空穴型转变成电子型,，这种情况称,表面反型,。反型层,X,i,发生在近表面，且厚度很薄，而紧靠其内部还夹着一层耗尽层，厚度比反型层大很多。,第37页,对于,N型半导体,，一样可证实：,金属电极加正电压为电子积累；,加小负电压为耗尽状态；,而负电压深入增大时，表面空穴堆积出现反型层。,重点,第38页,7.3 MOS结构电容-电压特征,金属-氧化物-半导体（MOS）结构中，实际氧化物就是绝缘体，它完全类同于MIS电容，是一个特例，称MOS电容。,因为制造MOS器件必定采取这种结构，因而MOS电容成为集成电路中制造电容首选，而其寄生性一样是引发器件性能下降原因所在。,所以，对这一结构研究分析，从来就没有停顿过。,第39页,理想MOS电容,金属-半导体功函数差为零；,氧化层及界面电荷为零；,界面态为零；,半导体体内电阻为零；,氧化层完全不导电。,能带应是平；,半导体表面处,S,=0。,第40页,电压分布,V,G,一部分,降落在氧化层,中，另一部分降落在,半导体表面,（空间电荷区，而体内电压降为零）。,把MOS电容看作为一个平行板电容器，而且由上面电压关系得知，MOS电容实际就是由一个,氧化层电容,和一个,半导体中空间电荷区电容串联结构,组成。,式（7-1）,第41页,氧化层单位面积电,容,X,ox,氧化层厚度；,0,真空介电常数；,OX,氧化层相对介电系数。,式（7-2）,第42页,半导体表面电容,W 耗尽层宽度；,S,半导体相对介电常数,式（7-3）,第43页,理想MOS结构总电容,式（7-4）,第44页,（100）硅，掺杂,N,D,=9.110,14,/cm,3,X,ox,=0.119m,，,高频（1MHz）和低频（准静态）,条件下实际测得C-V特征曲线。,分情况讨论。,理想MOSC-V特征曲线,MOS器件电容高、低频C-V特征曲线,V,G,V,G,0,V,G,0,第45页,实际MOS C-V特征曲线,1）氧化层内正电荷对C-V特征影响,氧化层内正电荷（Q,SS,）作用，能够看作在没有外加电压（V,G,=0）时，相当于施加了一个正电压，假如要消除它影响，则应该在栅上施加一个负电压（-V,FB,）来抵消，使弯曲能带重新变为平带，平带时电容称,平带电容,，用,C,FB,表示，如图所表示。,图中可见，,正电荷总是使C-V曲线产生左移影响,。,第46页,正电荷引发C-V曲线移动（左图P型衬底，右图N型衬底）,第47页,2）金属-半导体功函数影响,真空能级和费米能级之间能量差称为材料,功函数（）,。不一样材料，含有不一样功函数，因而MOS结构两个电极（金属、半导体）就会存在,功函数差（,MS,）,。因为铝功函数小于半导体，不论是N型还是P型半导体，功函数差,MS,都是负值；而普通铝和N型半导体,MS,总比与P型半导体,MS,来得小。,MS,使C-V曲线产生左移影响,当前更多是用高掺杂多晶硅（polysilicon）来代替铝制作栅极，N,+,多晶硅效果与铝作用一致，但实际功函数差略大于铝。P,+,多晶硅代替铝，造成功函数差却是正，对于N型衬底作用是极为有利。,第48页,第49页,MS,对MOS电容高频特征影响,第50页,3）掺杂浓度、氧化层厚度、温度对C-V特征影响,掺杂浓度提升，,高频反型电容会大大增加,，,耗尽偏置区将大大展宽,。曲线上表现为电容下降耗尽范围,从1V左右扩展到2V,以上，,反型区域最小电容值按（倍/数量级）增加,，呈底部抬高之势。而无曲线平移，且,积累区电容固定,，各掺杂浓度重合一致。如图所表示为不一样P型掺杂浓度对MOS电容高频C-V特征影响。,第51页,第52页,温度,对C-V特征影响如图所表示，它对反型偏置电容有中等敏感度，其它区域则基本上不随温度改变。,氧化层厚度,增加也会使耗尽偏置区展宽，并使高频反型电容升高，形式与掺杂一致，主要因为展厚氧化层将分担更大百分比电压所致。,第53页,第54页,7.4 MOS结构阈值电压,通常把使半导体表面强反型（,s,=2,F,）所需加在金属栅极上电压,V,T,定义为,阈值电压,，又可称,开启电压,。,理想MOS结构阈值电压（P型半导体衬底）,耗尽层中电荷量,式（7-7）,式（7-8）,第55页,W 耗尽层宽度,当,s,=2,F,时，W=W,m,式（7-10）,第56页,P型半导体衬底理想MOS 结构阈值电压表示式,第57页,N型半导体衬底理想MOS 结构阈值电压表示式,第58页,【例7-1】,一个衬底N,A,=10,17,cm,-3,理想MOS结构，设氧化层厚度X,ox,=50，试计算单位面积氧化层电容C,OX,和,s,=2,F,值。最大耗尽层宽度W,m,和半导体中每单位面积空间电荷Q,SC,值。二氧化硅和硅相对介电常数分别是3.9和11.9。,第59页,解,：由式（7-2）得,由式（7-7）得,第60页,由式（7-10）得,第61页,由式（7-8）得,第62页,实际MOS结构阈值电压（P型半导体衬底）,在实际MOS结构中，因为,固定氧化层正电荷,（Q,SS,）以及,功函数差,作用都是使平带电压偏移，半导体表面能带向下弯曲，而要克服它们影响，必须在栅上施加一个V,FB,电压（负），来拉平下弯能带，而使之成为理想MOS结构，由此可见，,实际MOS结构阈值电压V,T,比理想MOS结构阈值电压多出一个V,FB,电压值。,第63页,由P型半导体组成实际MOS结构,由N型半导体组成实际MOS结构,第64页,【例7-2】,对【例7-1】中，假设N,+,多晶硅与衬底平带电压为-1.10V，试计算阈值电压。,解,：由例7-1中，能够得到C,OX,6.9010,-7,F/cm,2,，,2,F,0.82V，则,第65页,练习,P 127 8，9，11，12，13，14，15，16,第66页,
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
