第13講金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu)

1、第七章第七章 金屬金屬-半導(dǎo)體接觸和半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、理解功函數(shù)的概念。2、掌握典型金屬與半導(dǎo)體接觸的機(jī)理及應(yīng)用。3、理解金屬絕緣層半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)及應(yīng)有。 金屬金屬-半導(dǎo)體接觸：半導(dǎo)體接觸： 指的是有金屬和半導(dǎo)體相互接觸而形成的指的是有金屬和半導(dǎo)體相互接觸而形成的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 金屬金屬-絕緣層絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（MIS）：金屬：金屬和半導(dǎo)體中插入絕緣層。和半導(dǎo)體中插入絕緣層。是是集成電路集成電路CMOS核核心單元。心單元。 金屬金屬-半導(dǎo)體接觸可形成半導(dǎo)體接觸可形成整流特性接觸和整流特性接觸和歐姆接觸歐姆接觸。 整流特性接觸：金屬細(xì)絲與半導(dǎo)體表面形整流特

2、性接觸：金屬細(xì)絲與半導(dǎo)體表面形成整流接觸。成整流接觸。 歐姆接觸：電極連接作用，等效一個小電歐姆接觸：電極連接作用，等效一個小電阻。阻。CMOS CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，電壓控制的一種放大器件。 是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。 在計算機(jī)領(lǐng)域，CMOS常指保存計算機(jī)基本啟動信息（如日期、時間、啟動設(shè)置等）的芯片。有時人們會把CMOS和BIOS混稱，其實CMOS是主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，是用來保存BIOS的硬件配置和用戶對某些參數(shù)的設(shè)定。 在今日，CMOS制造工藝也被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感

3、光元件，尤其是片幅規(guī)格較大的單反數(shù)碼相機(jī)。 另外，CMOS同時可指互補(bǔ)式金氧半元件及制程。 因此時至今日，雖然因為工藝原因，都叫做CMOS，但是CMOS在三個應(yīng)用領(lǐng)域，呈現(xiàn)出迥然不同的外觀特征： 一是用于計算機(jī)信息保存，CMOS作為可擦寫芯片使用，在這個領(lǐng)域，用戶通常不會關(guān)心CMOS的硬件問題，而只關(guān)心寫在CMOS上的信息，也就是BIOS的設(shè)置問題，其中提到最多的就是系統(tǒng)故障時拿掉主板上的電池，進(jìn)行CMOS放電操作，從而還原BIOS設(shè)置。 二是在數(shù)字影像領(lǐng)域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來，市面上常見的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產(chǎn)品，而通常

4、高端攝像頭都是CCD感光元件。 三是在更加專業(yè)的集成電路設(shè)計與制造領(lǐng)域。勢壘 （Potential Energy Barrier） 就是勢能比附近的勢能都高的空間區(qū)域，基本上就是極值點(diǎn)附近的一小片區(qū)域。肖特基勢壘 金屬-半導(dǎo)體邊界上形成的具有整流作用的區(qū)域 形成過程如下：形成過程如下： 金屬-半導(dǎo)體作為一個整體在熱平衡時有同樣費(fèi)米能級.由半導(dǎo)體到金屬,電子需要克服勢壘;而由金屬向半導(dǎo)體,電子受勢壘阻擋.在加正向偏置時半導(dǎo)體一側(cè)的勢壘下降;相反,在加反向偏置時,半導(dǎo)體一側(cè)勢壘增高.使得金屬-半導(dǎo)體接觸具有整流作用 (但不是一切金屬-半導(dǎo)體接觸均如此.如果對于P型半導(dǎo)體,金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功

5、函數(shù),對于N型半導(dǎo)體,金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù),以及半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度不小于1019/立方厘米數(shù)量級時會出現(xiàn)歐姆接觸,它會因雜質(zhì)濃度高而發(fā)生隧道效應(yīng),以致勢壘不起整流作用). 當(dāng)半導(dǎo)體均勻摻雜時肖特基勢壘的空間電荷層寬度和單邊突變P-N結(jié)的耗盡層寬度相一致利用金屬半導(dǎo)體接觸制作的檢波器很早就應(yīng)用于電工和無線電技術(shù)之中，如何解釋金屬半導(dǎo)體接觸時表現(xiàn)出的整流特性，在20世紀(jì)30年代吸引了不少物理學(xué)家的注意。德國的W.H.肖脫基、英國的N.F.莫脫、蘇聯(lián)的.達(dá)維多夫發(fā)展了基本上類似的理論，其核心就是在界面處半導(dǎo)體一側(cè)存在有勢壘，后人稱為肖脫基勢壘。 肖特基二極管（肖特基二極管（SBD） 具有具有整

6、流整流效應(yīng)的效應(yīng)的金屬金屬-半導(dǎo)體接觸，稱半導(dǎo)體接觸，稱為肖特基接觸為肖特基接觸。 以此為基礎(chǔ)制成的二極管稱為以此為基礎(chǔ)制成的二極管稱為肖特基二肖特基二極管（極管（SBD），它比一般的半導(dǎo)體二極管，它比一般的半導(dǎo)體二極管特性更好。特性更好。 肖特基二極管（肖特基二極管（SBD）特性：）特性： （1）高頻性能好，開關(guān)速度快）高頻性能好，開關(guān)速度快 SBD電流電流取決于取決于多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射；（功函數(shù)差）；（功函數(shù)差） P-N結(jié)電流結(jié)電流取決于取決于非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。（濃度差）。（濃度差） SBD：不發(fā)生電荷存儲效應(yīng)不發(fā)生電荷存儲效應(yīng)； P-

7、N結(jié)結(jié)：電荷存儲效應(yīng)。電荷存儲效應(yīng)。 電荷的積累和消失需要時間，限制高頻和高速器件應(yīng)用。電荷的積累和消失需要時間，限制高頻和高速器件應(yīng)用。 （2）正向?qū)妷旱停┱驅(qū)妷旱?SBD熱電子發(fā)射代替熱電子發(fā)射代替P-N結(jié)非平衡載流子的擴(kuò)散，結(jié)非平衡載流子的擴(kuò)散，載流載流子熱運(yùn)動速度比擴(kuò)散速度高幾個數(shù)量級子熱運(yùn)動速度比擴(kuò)散速度高幾個數(shù)量級。 同樣工作電流，同樣工作電流，SBD正向?qū)妷旱驼驅(qū)妷旱汀輭倦娙?在積累空間電荷的勢壘區(qū)，當(dāng)PN結(jié)外加電壓變化時，引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充、放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容

8、稱為勢壘電容。 勢壘電容具有非線性，它與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。 7.2 歐姆接觸歐姆接觸 歐姆接觸：電流和電壓關(guān)系遵循歐姆定律歐姆接觸：電流和電壓關(guān)系遵循歐姆定律，歐姆接觸，歐姆接觸好壞的參量是好壞的參量是特征電阻特征電阻，又稱，又稱接觸電阻接觸電阻。（好的接觸，特。（好的接觸，特征電阻小于征電阻小于10-7 .cm） 金屬的功函數(shù)小于金屬的功函數(shù)小于N型半導(dǎo)體的功函數(shù)、金屬的功函型半導(dǎo)體的功函數(shù)、金屬的功函數(shù)小于數(shù)小于P型半導(dǎo)體的功函數(shù)，形成高電導(dǎo)區(qū)（反阻擋層）。型半導(dǎo)體的功函數(shù)，形成高電導(dǎo)區(qū)（反阻擋層）。金屬的功函數(shù)小于金屬的功函數(shù)小于N型半導(dǎo)體的功函數(shù)型半導(dǎo)

9、體的功函數(shù)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 理論上，選擇理論上，選擇功函數(shù)比功函數(shù)比N型半導(dǎo)體的功函數(shù)型半導(dǎo)體的功函數(shù)小、功函數(shù)比小、功函數(shù)比P型半導(dǎo)體的功函數(shù)大的金屬型半導(dǎo)體的功函數(shù)大的金屬，形，形成成高電導(dǎo)區(qū)（反阻擋層），阻止整流作用高電導(dǎo)區(qū)（反阻擋層），阻止整流作用。 實際工藝，常用的實際工藝，常用的歐姆接觸制備技術(shù)歐姆接觸制備技術(shù)有：有：低勢低勢壘接觸、高復(fù)合接觸、高摻雜接觸。壘接觸、高復(fù)合接觸、高摻雜接觸。 （1）低勢壘接觸）低勢壘接觸 選擇功函數(shù)與半導(dǎo)體的功函數(shù)接近的金屬選擇功函數(shù)與半導(dǎo)體的功函數(shù)接近的金屬， 接觸勢壘小，足夠載流子互相進(jìn)入，接觸勢壘小，足夠載流子互相進(jìn)入，整流效應(yīng)小整流效應(yīng)小。

10、 金與金與P型硅型硅勢壘高度勢壘高度0.34 eV，Pt與與P型硅型硅勢壘高勢壘高度度0.25 eV。 （2）高復(fù)合接觸）高復(fù)合接觸 金屬與半導(dǎo)體的金屬與半導(dǎo)體的接觸面附近接觸面附近，引入復(fù)合中心引入復(fù)合中心打磨（打磨（缺陷缺陷）、）、Cu、Au、Ni合金擴(kuò)散（合金擴(kuò)散（雜質(zhì)雜質(zhì)），形成形成高復(fù)合接觸高復(fù)合接觸，復(fù)合掉非平衡載流子，復(fù)合掉非平衡載流子，沒有整沒有整流作用流作用。（3）高摻雜接觸）高摻雜接觸 金屬與半導(dǎo)體的金屬與半導(dǎo)體的接觸處，擴(kuò)散或合金法，摻入接觸處，擴(kuò)散或合金法，摻入高濃度施主或受主雜質(zhì)，高濃度施主或受主雜質(zhì)，構(gòu)成金屬構(gòu)成金屬-N+-N或金屬或金屬-P+-P結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)，形

11、成高摻雜接觸。高摻雜接觸。 流過金屬流過金屬-N+-N接觸電流主要是電子電流接觸電流主要是電子電流，空，空穴電流小，非平衡載流子（空穴）注入可忽略。穴電流小，非平衡載流子（空穴）注入可忽略。 接觸處存在勢壘，摻雜濃度高，勢壘寬度薄，接觸處存在勢壘，摻雜濃度高，勢壘寬度薄，容易發(fā)生電子的隧道穿透容易發(fā)生電子的隧道穿透，不能阻擋電子運(yùn)動，不能阻擋電子運(yùn)動，實現(xiàn)歐姆接觸。實現(xiàn)歐姆接觸。 大多采用大多采用高摻雜接觸。高摻雜接觸。 隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) 施加反向偏壓施加反向偏壓時，時，勢壘區(qū)能帶發(fā)生傾斜勢壘區(qū)能帶發(fā)生傾斜；反向偏壓越大，勢；反向偏壓越大，勢壘越高，勢壘區(qū)的內(nèi)建電場也越強(qiáng)，勢壘區(qū)的能帶也越傾斜

12、，壘越高，勢壘區(qū)的內(nèi)建電場也越強(qiáng)，勢壘區(qū)的能帶也越傾斜，甚至可以使得甚至可以使得p區(qū)的價帶頂比區(qū)的價帶頂比n區(qū)的導(dǎo)帶底還要高區(qū)的導(dǎo)帶底還要高。此時。此時p區(qū)區(qū)的價帶中的電子將較容易到達(dá)的價帶中的電子將較容易到達(dá)n區(qū)的導(dǎo)帶區(qū)的導(dǎo)帶。這個效應(yīng)稱為。這個效應(yīng)稱為隧隧道效應(yīng)道效應(yīng)。 當(dāng)反向電壓達(dá)到一定程度，通過隧道效應(yīng)產(chǎn)生的反向電流將當(dāng)反向電壓達(dá)到一定程度，通過隧道效應(yīng)產(chǎn)生的反向電流將突然增大，此時稱為突然增大，此時稱為pn結(jié)的隧道擊穿結(jié)的隧道擊穿。電子電子變窄變窄 7.3 金屬金屬-絕緣層絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（MIS） 金屬金屬-絕緣層絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（MIS）：金屬和半導(dǎo)體

13、中插入：金屬和半導(dǎo)體中插入絕緣層。集成電路絕緣層。集成電路CMOS核心單元。核心單元。 結(jié)構(gòu)是一個結(jié)構(gòu)是一個電容電容，金屬和半導(dǎo)體間加電壓，金屬表面一，金屬和半導(dǎo)體間加電壓，金屬表面一個原子層堆積個原子層堆積高密度載流子高密度載流子。半導(dǎo)體中相反電荷產(chǎn)生半導(dǎo)體中相反電荷產(chǎn)生。形成。形成內(nèi)建電場，空間電荷區(qū)兩端產(chǎn)生電勢差內(nèi)建電場，空間電荷區(qū)兩端產(chǎn)生電勢差Vs，稱為，稱為表面勢表面勢。 表面勢：半導(dǎo)體表面相對于半導(dǎo)體體內(nèi)的電勢差表面勢：半導(dǎo)體表面相對于半導(dǎo)體體內(nèi)的電勢差。表面。表面電勢高于體內(nèi)電勢時，表面電勢為正值，反之負(fù)值。電勢高于體內(nèi)電勢時，表面電勢為正值，反之負(fù)值。金屬金屬絕緣層絕緣層半導(dǎo)體

14、半導(dǎo)體 絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管 具有具有柵電極（用柵電極（用G 表示），源電極（用表示），源電極（用S 表示）和漏電表示）和漏電極（用極（用D表示）表示）的三端器件。的三端器件。 其中與其中與半導(dǎo)體直接形成歐姆接觸半導(dǎo)體直接形成歐姆接觸的兩個電極分別稱為的兩個電極分別稱為源源極和漏極極和漏極，被限制在，被限制在源極和漏極之間的導(dǎo)電區(qū)域源極和漏極之間的導(dǎo)電區(qū)域稱為稱為溝道溝道。 與絕緣層接觸并隔著絕緣層與絕緣層接觸并隔著絕緣層與源電極和漏電極間的溝道與源電極和漏電極間的溝道正對的稱為正對的稱為柵極柵極。 n溝道溝道MOS管基本工作原理管基本工作原理 源極與襯底短接，源極與襯底短接，當(dāng)當(dāng)Vgs=0 時時，由于，由于PN結(jié)耗盡層的作結(jié)耗盡層的作用，用，漏源之間阻抗很大，無電流通過漏源之間阻抗很大，無電流通過。 當(dāng)當(dāng)Vgs0 時時，柵極上的正電荷在柵氧化層中產(chǎn)生一個，柵極上的正電荷在柵氧化層中產(chǎn)生一個垂直電場垂直電場，空穴被排斥離開表面空穴被排斥離開表面，隨著隨著Vgs的增大的增大，當(dāng)空穴當(dāng)空穴被排斥盡被排斥盡，電子電子從從n+源、漏