半導(dǎo)體器件物理(第三章 半導(dǎo)體的表面特性)

1、http:/微電子技術(shù)專業(yè)微電子技術(shù)專業(yè)第3章 半導(dǎo)體的表面特性本章要點本章要點l 半導(dǎo)體的表面與半導(dǎo)體的表面與Si-SiO2系統(tǒng)的特性系統(tǒng)的特性l 表面空間電荷區(qū)的狀態(tài)和表面勢的概念表面空間電荷區(qū)的狀態(tài)和表面勢的概念l MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓和結(jié)構(gòu)的閾值電壓和MOS結(jié)構(gòu)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)的應(yīng)用l MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性l 金屬與半導(dǎo)體接觸、肖特基勢壘二極管（金屬與半導(dǎo)體接觸、肖特基勢壘二極管（SBD）3.1 半導(dǎo)體表面與Si-SiO2系統(tǒng)半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面懸掛鍵懸掛鍵Si原子原子3.1.1 理想的半導(dǎo)體表面理想的半導(dǎo)體表面 所謂理想的半導(dǎo)體表面是指原子完全有規(guī)則的排列且終止于同一平面上。

2、但顯而易見的是，由于表面處晶格原子排列的終止，故表面處的原子存在不飽和共價鍵，被稱為懸掛鍵。一般地，一個懸掛鍵對應(yīng)一個電子狀態(tài)，將稱其為表面態(tài)。Si襯底襯底SiO2層層3.1 半導(dǎo)體表面與Si-SiO2系統(tǒng)在制作晶體管和集成電路之前，半導(dǎo)體Si晶體表面需經(jīng)過仔細研磨、拋光和清潔處理，并確保其良好的平整度。硅（Si）還是一種較活潑的化學(xué)元素，其氧化物SiO2在半導(dǎo)體制備中有著特殊的功用，主要用作為：絕緣介質(zhì)層，用于分隔金屬膜及其他導(dǎo)電材料；掩蔽層，用于雜質(zhì)元素的選擇性摻雜；鈍化，保護器件和晶圓免受外來物質(zhì)與離子的沾污。Si襯底襯底SiO2NaHNa可動離子可動離子固定電荷固定電荷界面態(tài)界面態(tài)輻射

3、電離陷阱輻射電離陷阱3.1.2 Si-SiO2系統(tǒng)及其特性系統(tǒng)及其特性3.1 半導(dǎo)體表面與Si-SiO2系統(tǒng)在Si-SiO2系統(tǒng)中，至少存在四種因素影響其電學(xué)性能的穩(wěn)定，它們分別是： 可動離子，以鈉離子（Na+)為主要對象； 固定電荷，通常是一些過剩的硅離子Si+； 輻射電離陷阱； 界面態(tài)，即前述的表面態(tài)。3.1 半導(dǎo)體表面與Si-SiO2系統(tǒng)界面態(tài)界面態(tài)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiOOOHSiSiSi-SiO2界面界面圖中顯示了Si晶圓經(jīng)氧化以后，Si-SiO2界面的結(jié)構(gòu)情形。實驗表明，界面態(tài)面密度與晶圓的晶向、氧化爐溫、退火工藝等因素有關(guān)。根據(jù)所制備的器件不

4、同，理想的情形是將面密度控制在1010/cm2eV以下。MOS晶體管晶體管12nnPSi電極或金屬互連線電極或金屬互連線SiO2層層源、漏區(qū)或襯底源、漏區(qū)或襯底Si3.2 表面空間電荷區(qū)與表面勢MOS結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中兩種最基本的結(jié)構(gòu)之一。圖中顯示了它構(gòu)成MOS晶體管的核心結(jié)構(gòu)；顯示了由于金屬布線而廣泛存在于集成電路中的寄生MOS結(jié)構(gòu)。pSiGV柵介質(zhì)柵介質(zhì)(SiO2)柵電極柵電極3.2 表面空間電荷區(qū)與表面勢3.2.1 表面空間電荷區(qū)表面空間電荷區(qū)對于不同的柵壓VG，表面空間電荷區(qū)存在四種狀態(tài)：a.VG=0V 平帶狀態(tài)；b.VG0V 耗盡狀態(tài)；d.VG0V 反型或強反型狀態(tài)。理想理想MO

5、S結(jié)構(gòu)的條件：結(jié)構(gòu)的條件： Si-SiO2系統(tǒng)中不存在前述的系統(tǒng)中不存在前述的三種性質(zhì)的電荷及界面態(tài)；三種性質(zhì)的電荷及界面態(tài)；金屬柵與襯底半導(dǎo)體材料之金屬柵與襯底半導(dǎo)體材料之間的功函數(shù)相等。間的功函數(shù)相等。3.2 表面空間電荷區(qū)與表面勢a. VG=0V 平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)FMEMetal2SiOPSiVEFSEiEcE2SiO 中能級0GVVPSiOx( ) xxO電荷分布電荷分布MOS結(jié)構(gòu)兩端的電壓為0，此時襯底Si表面不受任何電場作用，故不存在空間電荷區(qū)，因此體電荷密度分布(x)=0,半導(dǎo)體表面能帶是平直的。FMEMetal2SiOPSiVEFSEiEcEOXqVSqdx( )xmQSCQx

6、電荷分布電荷分布0GV PSiOxdxOXVS0V 空穴空穴O3.2 表面空間電荷區(qū)與表面勢b. VG0V 多子積累狀態(tài)多子積累狀態(tài)此時，受負柵壓的作用，P-Si襯底的多數(shù)載流子空穴趨于流向表面，形成一薄層空穴積累層。由于襯底基準電位為0，故表面勢s0V 耗盡狀態(tài)耗盡狀態(tài)受到正柵壓的作用，半導(dǎo)體表面處的空穴趨于流向襯底，從而導(dǎo)致留下一層受主負離子，并構(gòu)成空間電荷區(qū)，此時表面勢s0，表面處能帶向下彎曲，電荷分布見圖。PSiOxmaxdx0GV 電子反型層電子反型層FMEVEFSEiEcEMetal2SiOPSi( )xmQxSCQmaxdx電荷分布電荷分布O耗盡層耗盡層3.2 表面空間電荷區(qū)與表

7、面勢d. VG0V 反型或強反型狀態(tài)反型或強反型狀態(tài)當(dāng)柵極電壓VG進一步提高并使得表面勢S滿足S2FP，半導(dǎo)體表面吸引了更多數(shù)量的電子并形成電子反型層，空間電荷區(qū)厚度達到最大值Xdmax,表面處能帶彎曲如圖所示。3.2 表面空間電荷區(qū)與表面勢半導(dǎo)體材料的費米勢半導(dǎo)體材料的費米勢FSi材料費米勢材料費米勢F的定義：的定義：iFFEEqVEFSEiEcE對對P-Si和和N-Si材料，它們的費米勢材料，它們的費米勢FP和和FN分別為：分別為：lnAFPiNkTqnlnDFNiNkTqn 室溫下：室溫下：kT/q=0.026VPSiOxmaxdx0GV 3.2 表面空間電荷區(qū)與表面勢3.2.2 表面勢

8、表面勢表面勢是指半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體襯表面勢是指半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體襯底之間的電勢差，用底之間的電勢差，用S S表示。它表征了表示。它表征了空間電荷區(qū)電荷的變化情況以及表面處能空間電荷區(qū)電荷的變化情況以及表面處能帶的彎曲情況。帶的彎曲情況。根據(jù)泊松方程根據(jù)泊松方程22( )Sdxdx 其中其中( )AxqN 可以得到如下表達式可以得到如下表達式2(0)2ASdSqNxxOmaxdx( )E x( )xxOmaxdxGVS3.2 表面空間電荷區(qū)與表面勢 另外，表面空間電荷區(qū)的電場和電勢分布另外，表面空間電荷區(qū)的電場和電勢分布如圖所示，它們的表達式分別為：如圖所示，它們的表達式分別為：( )()AdS

9、qNE xxx2( )()2AdSqNxxx 而表面空間電荷區(qū)的電荷面密度而表面空間電荷區(qū)的電荷面密度QSC可表達為：可表達為：1/2(2 )SCSASQqN P-Si襯底襯底1/2(2 )SCSDSQqN N-Si襯底襯底PSiOxmaxdxGTVVMQSCQ3.3 MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓3.3.1 理想理想MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓結(jié)構(gòu)的閾值電壓 （以（以P-Si襯底的襯底的MOS結(jié)構(gòu)為例結(jié)構(gòu)為例 ）定義：當(dāng)定義：當(dāng)P型型Si半導(dǎo)體表面達到強反半導(dǎo)體表面達到強反型，且反型層電子濃度等于襯底空型，且反型層電子濃度等于襯底空穴（多子）濃度時，這時所施加的穴（多子）濃度時，這時所施加的柵極電壓柵極電壓V

10、G稱作稱作MOS結(jié)構(gòu)的閾值電結(jié)構(gòu)的閾值電壓，也稱開啟電壓，用壓，也稱開啟電壓，用VT表示。表示。1/2(4)2SAFPTFPOXqNVClnAFPiNkTqnVT表達式為（表達式為（P-Si襯底）：襯底）：同理，對同理，對N-Si襯底，有襯底，有1/2(4)2SDFNTFNOXqNVC lnDFNiNkTqn FE真空能級真空能級E0金屬或半導(dǎo)體材料金屬或半導(dǎo)體材料真空真空電子電子W電子電子3.3 MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓1. 金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)W3.3.2 實際實際MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓結(jié)構(gòu)的閾值電壓 定義：定義： 功函數(shù)功函數(shù)W是指一個能量位于是指一個能量位于費米能級費米能

11、級EF處的電子從金屬或處的電子從金屬或半導(dǎo)體內(nèi)部逸出到真空中所需半導(dǎo)體內(nèi)部逸出到真空中所需要給予它的最小能量要給予它的最小能量 。0FWEE定義式為：定義式為：N N型型P P型型ND/cm-3101410151016NA/cm-3101410151016WS/eV4.374.374.314.314.254.25WS/eV4.874.874.934.934.994.99Si 材料在不同摻雜濃度下的功函數(shù)材料在不同摻雜濃度下的功函數(shù)WS （單位：（單位：eV）Al2SiOPSiVEFSEiEcEF AlEAlWSW0GVVPSiOxdxOXVSAl柵3.3 MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓2. 金屬與半導(dǎo)體

12、功函數(shù)差對金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對VT的影響的影響圖（a）所示是一個普通MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖。當(dāng)用金屬鋁來做柵極時，由于鋁的功函數(shù)較小，約為WAl=4.13eV,通常小于半導(dǎo)體的功函數(shù)，如圖。因此，即使不施加?xùn)艍?，柵極也會與半導(dǎo)體襯底發(fā)生電子交換，見圖（b）。(a)(b)F AlEAl2SiOPSiVEFSEiEcEOXqVSqdxPSiGmsV3.3 MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓(c)(d) 圖（圖（c ）所示的是這種電）所示的是這種電子交換結(jié)束時，并且在達到新子交換結(jié)束時，并且在達到新的平衡態(tài)時的能帶圖。當(dāng)柵極的平衡態(tài)時的能帶圖。當(dāng)柵極金屬功函數(shù)較小時，半導(dǎo)體表金屬功函數(shù)較小時，半導(dǎo)體表面能帶通常向下

13、彎曲。面能帶通常向下彎曲。 為使半導(dǎo)體表面能帶變?yōu)槭拱雽?dǎo)體表面能帶變平，需要在柵極施加補償電平，需要在柵極施加補償電壓壓VG，如圖（，如圖（d）所示。數(shù)）所示。數(shù)值上，值上， VG=msms。考慮?？紤]msms后，后，VT修正為下式修正為下式(P-Si)(P-Si)。1/24sAFPTmsFPoxqNVC0GVVPSiOxdxSSQF AlEAl2SiOPSiVEFSEiEcESqdx3.3 MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓3.柵氧化層中有效表面態(tài)電荷密度柵氧化層中有效表面態(tài)電荷密度QSS對對VT的影響的影響圖（e）顯示了柵氧化層中各種正電荷以及Si-SiO2界面的界面態(tài)對半導(dǎo)體表面的影響，圖中用有效表面

14、態(tài)電荷密度QSS來等效，它位于Si-SiO2界面SiO2一側(cè)，這樣來等效，便于問題的處理。圖（f）則顯示了半導(dǎo)體表面受QSS作用后能帶彎曲情形。(e)(f)PSiOxSSGOXQVCAl2SiOPSiVEFSEiEcEF AlEAlW3.3 MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓(g)(h)圖（圖（g）顯示了為平衡）顯示了為平衡SiO2層中有效表面態(tài)電荷密度層中有效表面態(tài)電荷密度QSS對半導(dǎo)體表面的影響，施加補償電壓對半導(dǎo)體表面的影響，施加補償電壓VG的情形。在數(shù)值上該的情形。在數(shù)值上該補償電壓需滿足補償電壓需滿足VG=（QSS/Cox）。一般地，由于）。一般地，由于QSS0，因此，有因此，有VGV2V1，因此

15、，因此，c勢阱中的電勢能最低，當(dāng)勢阱中的電勢能最低，當(dāng)b阱中有信息電阱中有信息電荷時，在荷時，在V3脈沖的作用下，將會轉(zhuǎn)移到脈沖的作用下，將會轉(zhuǎn)移到c阱中，實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)移。阱中，實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)移。1TT1RRC30p50k1003.4 MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性3.4.1 MOS電容電容從結(jié)構(gòu)上看，從結(jié)構(gòu)上看，MOS結(jié)構(gòu)實際上構(gòu)成了一個電結(jié)構(gòu)實際上構(gòu)成了一個電容器，它的柵電極構(gòu)成了該電容器的上電極，而容器，它的柵電極構(gòu)成了該電容器的上電極，而下面的半導(dǎo)體襯底則構(gòu)成了電容器的下電極。前下面的半導(dǎo)體襯底則構(gòu)成了電容器的下電極。前面的分析已經(jīng)表明，當(dāng)在金屬柵極上施加不同的面的分析已經(jīng)表明，當(dāng)在金屬柵極上施加不

16、同的電壓時，在半導(dǎo)體襯底的表面會感應(yīng)出空間電荷電壓時，在半導(dǎo)體襯底的表面會感應(yīng)出空間電荷區(qū)以及反型層或者多數(shù)載流子的積累層。區(qū)以及反型層或者多數(shù)載流子的積累層。另外，我們也注意到這個下電極，即半導(dǎo)體另外，我們也注意到這個下電極，即半導(dǎo)體襯底的表面在帶電情形時與普通電容器的帶電情襯底的表面在帶電情形時與普通電容器的帶電情形存在一定的區(qū)別，這告訴我們這種形存在一定的區(qū)別，這告訴我們這種MOS電容器電容器應(yīng)當(dāng)與普通電容器存在一定的區(qū)別。應(yīng)當(dāng)與普通電容器存在一定的區(qū)別。圖示電路中的圖示電路中的C是一個是一個MOS電容，由于單位電容，由于單位面積的電容量較小，面積的電容量較小，MOS電容也只能制作小容量

17、電容也只能制作小容量電容，一般小于電容，一般小于100PF。VVMOS電容電容直流偏壓直流偏壓交流小信號交流小信號gi信號電流信號電流P-Si3.4 MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性3.4.2 理想理想 MOS電容的電容的C-V特性特性由于由于MOS電容也是一種非線性電容，即是它的電容值是隨著電容也是一種非線性電容，即是它的電容值是隨著施加在它上面的直流偏壓而改變的，因此實質(zhì)上是一種微分電容。施加在它上面的直流偏壓而改變的，因此實質(zhì)上是一種微分電容。圖示為一種測量圖示為一種測量MOS電容的原理電路。其中電容的原理電路。其中V為直流偏壓，為直流偏壓，V=u為測量信號。為測量信號。定義：定義：( )dQC

18、VdV或者近似或者近似( )QC VVdxdxQQQGVoxVSPSi2SiOQ3.4 MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性1. 柵極直流偏壓滿足柵極直流偏壓滿足 VG0（以（以P-Si為襯底）為襯底）當(dāng)柵極施加負偏壓時，當(dāng)柵極施加負偏壓時，P-Si表面感應(yīng)出多子空穴的積表面感應(yīng)出多子空穴的積累層，該空穴積累層緊靠累層，該空穴積累層緊靠Si表面，因此，負柵直流偏壓在表面，因此，負柵直流偏壓在一定范圍變化時，一定范圍變化時，MOS電容值電容值C(V)=Cox不變。不變。20( )SiOoxoxC VCt2. 柵極直流偏壓滿足柵極直流偏壓滿足 0VGVTGV( )C VOFBCoxC2468102 4 6 8

19、10minC高頻高頻 f 1kHz低頻低頻 f 1kHz)2( )11oxSoxoxSiOoxSdmoxSioxSCCCCC VCCxCtCii) 低頻情況低頻情況 (f100Hz)( )oxC VC理想理想C-V特性曲線特性曲線3.4 MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性3.4.3 實際實際MOS電容的電容的 C-V 特性特性1. 金屬金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差對半導(dǎo)體功函數(shù)差對 C-V 特性的影響特性的影響受金屬柵極與半導(dǎo)體襯底材料功函數(shù)的不同，當(dāng)它們之間的接觸電勢差為ms時，曲線將平移該數(shù)值，如圖所示。對于絕大 部 分 金 屬 ， 由 于msWs。當(dāng)它們緊密接觸以后，所形成的能帶圖如圖。當(dāng)它們緊密接觸以后，

20、所形成的能帶圖如圖(d)所示，并產(chǎn)生一勢壘，稱其為肖特基勢壘，勢壘高度為所示，并產(chǎn)生一勢壘，稱其為肖特基勢壘，勢壘高度為qVD=EFS-EFm。3.5 金屬與半導(dǎo)體接觸cEvEFSEFmEmDqV(a)cEvEFSEFmEm()Dq VV(b)cEvEFSEFmEm()Dq VV(c) 關(guān)于整流接觸的熱電子發(fā)射理論關(guān)于整流接觸的熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論認為：在一定溫度T下，總有少量位于費米能級EFm附近的電子因獲得足夠能量而逸出金屬表面，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。同樣地，對于半導(dǎo)體來說，也總會存在少量位于導(dǎo)帶底附近的電子因獲得足夠能量而逸出其表面的現(xiàn)象發(fā)生，見圖(a)所示。3.5 金屬與半導(dǎo)

21、體接觸圖(a)表明，在金屬-半導(dǎo)體交界面兩側(cè)，金屬中將有少量電子突破勢壘m進入到半導(dǎo)體一側(cè)，而半導(dǎo)體中也同樣會有部分電子越過勢壘qVD進入到金屬中（注意這里m稍大于qVD且是不變的）。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，金屬與半導(dǎo)體互相通過界面發(fā)射電子，它們各自所對應(yīng)的電子電流大小相等，而方向相反，于是通過肖特基勢壘的凈電流為零。但應(yīng)當(dāng)注意，這種平衡是動態(tài)的，一旦施加外加偏壓，這種平衡將會被打破，從而產(chǎn)生一定的凈電流。圖(b)顯示了施加正向偏壓的情形，這時半導(dǎo)體向金屬發(fā)射電子數(shù)量明顯增加，形成正向電流；圖(c)顯示了施加反向偏壓的情形，這時半導(dǎo)體向金屬發(fā)射的電子數(shù)量極少，而金屬向半導(dǎo)體發(fā)射的電子數(shù)量基本不變，因為m不變，從而形成一股反向電流。/0(1)qV kTIIe金金-半整流接觸伏安特性方程：半整流接觸伏安特性方程：/20mkTIA CT e其中其中A為結(jié)面積，為結(jié)面積，C為常