半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)

硅-二氧化硅系統(tǒng)性質(zhì)

1.二氧化硅中的可動(dòng)離子2.二氧化硅中的固定表面電荷3.在硅–二氧化硅界面處的快界面態(tài)4.二氧化硅中的陷阱電荷在硅——二氧化硅系統(tǒng)中，存在著多種形式的電荷或能量狀態(tài)：（1）二氧化硅中的可動(dòng)離子二氧化硅中的可動(dòng)離子有Na、K、H等，其中最常見的是Na離子，對(duì)器件穩(wěn)定性影響最大。二氧化硅結(jié)構(gòu)的基本單元是一個(gè)由硅氧原子組成的四面體，呈無規(guī)則排列的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致Na離子易于在二氧化硅中遷移或擴(kuò)散。外來雜質(zhì)的主要類型：一種是替位型，如磷硼等另一種是間隙型，等如鈉，鉀一般雜質(zhì)在二氧化硅中擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)具有以下形式作偏壓–溫度（B-T）實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)量二氧化硅中單位面積上的Na離子電荷量：單位面積鈉離子電荷數(shù)：降低堿金屬離子影響的工藝方法：

(a)磷穩(wěn)定化

(b)氯中性化二氧化硅層中固定電荷有如下特征

電荷面密度是固定的，不隨偏壓而變化；這些電荷位于Si-SiO2界面200?范圍以內(nèi)固定表面電荷面密度的數(shù)值不明顯地受氧化層厚度或硅中雜質(zhì)類型以及濃度的影響固定電荷面密度與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系（2）二氧化硅中的固定表面電荷一般認(rèn)為固定正電荷的實(shí)質(zhì)是過剩硅離子

這些電荷出現(xiàn)在Si-SiO2界面200?范圍以內(nèi)，這個(gè)區(qū)域是SiO2與硅結(jié)合的地方，極易出現(xiàn)SiO2層中的缺陷及氧化不充分而缺氧，產(chǎn)生過剩的硅離子實(shí)驗(yàn)證明，若在硅晶體取向分別為[111]、[110]和[100]三個(gè)方向生長SiO2時(shí)，他們的硅–二氧化硅結(jié)構(gòu)中的固定表面電荷密度之比約為3:2:1。將氧離子注入Si-SiO2系統(tǒng)界面處，在450度進(jìn)行退火，發(fā)現(xiàn)固定表面電荷密度有所下降將MOS結(jié)構(gòu)加負(fù)偏壓進(jìn)行B-T實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度高到一定程度（如350度）時(shí)，固定的表面電荷密度有所增加。固定電荷引起的電壓漂移：功函數(shù)差與固定電荷引起的電壓漂移：則單位面積的固定電荷數(shù)目為：（3）硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)

快界面態(tài)：與表面態(tài)類似，指未被飽和的懸掛鍵，位于硅-二氧化硅界面處，形成表面能級(jí)，可以快速與半導(dǎo)體的導(dǎo)帶或價(jià)帶交換電荷。之所以稱為快界面態(tài)是為了與二氧化硅外表面未飽和鍵以及吸附的分子、原子等所引起的表面態(tài)區(qū)別開。界面態(tài)分類：一般分為施主（能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電性）和受主（能級(jí)空時(shí)為電中性，接受電子后帶負(fù)電）兩種

電子占據(jù)施主截面態(tài)的分布函數(shù)為

單位面積上界面態(tài)上的電子數(shù)目為

積分后得對(duì)于受主界面態(tài)，分布函數(shù)為：

來源：硅表面處晶體周期被破壞及界面處硅價(jià)鍵被全氧化，硅表面的晶格缺陷和損傷，界面處雜質(zhì)面密度：隨晶體取向而改變,按（100）<（110）<（111）順序增加

消除：退火可以有效的降低界面態(tài)密度（4）二氧化硅中的陷阱電荷氧化層受到高能磁輻射時(shí)，可以在氧化層中產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。在偏壓作用下，電子－空穴對(duì)中的電子容易運(yùn)動(dòng)，而漂向電極。空穴則被陷阱所陷，在氧化層中形成正電荷，這就是陷阱電荷。使C-V特性平移，平帶電壓為負(fù)值。在300度以上進(jìn)行退火，可以很快消除。§8.5表面電導(dǎo)及遷移率Surfaceconductivityandmobility（1）表面電導(dǎo)

表面薄層附加電導(dǎo)—表面勢(shì)Vs變化引起的平行于表面方向電導(dǎo)的改變量。用方塊電導(dǎo)表示。表面薄層電導(dǎo)：（2）表面載流子有效遷移率（表面遷移率）表面有效遷移率—載流子在表面層中的平均遷移率。表面遷移率的特點(diǎn)：載流子的有效遷移率與表面電荷密度有關(guān)。表面遷移率的數(shù)值比相應(yīng)的體內(nèi)遷移率約低一半。原因：鏡反射和漫散射§8.6表面電場對(duì)p-n結(jié)特性的影響EffectofSurfacefieldforp-njunctioncharacteristic（1）表面電場作用下的p-n結(jié)能帶柵控二極管結(jié)構(gòu)示意圖P區(qū)SiO2層?xùn)烹姌O（金屬層）VIVGN+區(qū)VI=0（p-n結(jié)處于平衡態(tài)）①VG=0時(shí)

p-n結(jié)能帶變化由n區(qū)和p區(qū)之間的自建電壓所決定。②VG>0時(shí)

開啟電壓VT

場感應(yīng)結(jié)感應(yīng)結(jié)最大耗盡層寬度柵控二極管結(jié)構(gòu)示意圖P區(qū)N+區(qū)SiO2層?xùn)烹姌O（金屬層）VIVGVD為p-n結(jié)內(nèi)建電勢(shì)當(dāng)Vs~2VB(VG=VT)時(shí)，若忽略x方向電勢(shì)降qVs~2qVB~VDVI=VR<0（p-n結(jié)處于反偏狀態(tài)）①VG=0時(shí)②VG>0時(shí)

開啟電壓VT

感應(yīng)結(jié)最大耗盡層寬度柵控二極管結(jié)構(gòu)示意圖P區(qū)N+區(qū)SiO2層?xùn)烹姌O（金屬層）VIVGVG=0P-n反偏下，結(jié)兩端電勢(shì)差VD+VI更不利于p區(qū)表面反型層電子的生成，需加大VG電壓VT’=2VB+VR~VD+VR開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)Vs可近似表示為：

Vs=VR+2VB化簡積分后求得：其中耗盡層的最大寬度

表面電場對(duì)反向電流的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①表面電場產(chǎn)生的感應(yīng)結(jié)擴(kuò)大了p-n結(jié)空間電荷區(qū)，導(dǎo)致硅材料p-n結(jié)空間電荷區(qū)中產(chǎn)生電流增大，引起反向電流增加。②表面電場使得半導(dǎo)體表面被耗盡時(shí)，硅和二氧化硅界面處的界面態(tài)引起總產(chǎn)生電流增加。正常P-n結(jié)的反偏電流：為空間電荷區(qū)域的激發(fā)復(fù)合電流而表面電場作用下，處此之外亦有表面反型層電子所形成的電流（2）表面電場作用下p-n結(jié)的反向電流單位體積耗盡區(qū)的載流子產(chǎn)生率：場感應(yīng)結(jié)耗盡層區(qū)的產(chǎn)生電流：冶金結(jié)耗盡層區(qū)的產(chǎn)生電流：當(dāng)表面耗盡而未反型時(shí)表面耗盡區(qū)貢獻(xiàn)的產(chǎn)生電流：帶入上式得：對(duì)完全耗盡層帶入得（3）表面電場對(duì)p-n結(jié)擊穿特性的影響當(dāng)柵極電壓使襯底表面反型時(shí)，將存在一個(gè)和冶金結(jié)并聯(lián)的場感應(yīng)結(jié)對(duì)于理想MIS結(jié)構(gòu)，只考慮VG電壓帶來的影響VRVGVG導(dǎo)致的寄生場感應(yīng)結(jié)n+p+，其I-V特性受VG影響顯著,容易產(chǎn)生齊納擊穿在高雜質(zhì)濃度情況時(shí)，擊穿機(jī)構(gòu)是齊納擊穿（4）表面鈍化對(duì)于實(shí)際情況，除了柵極電壓形成表面電場以外，存在8.4中介紹的（1）半導(dǎo)體與二氧化硅界面吸附的各種帶電粒子（2）半導(dǎo)體表面氧化層中的可動(dòng)離子（3）半導(dǎo)體表面氧化層中的固定電荷（4）半導(dǎo)體表面氧化層中的陷阱電荷都對(duì)半導(dǎo)體個(gè)表面特性產(chǎn)生重大影響。若氧化層中電荷過大，導(dǎo)致p-n結(jié)擊穿特性不好而出現(xiàn)低擊穿為了提高器件性能，除去不穩(wěn)定性，發(fā)明種種技術(shù)來穩(wěn)定表面性質(zhì)，這一過程稱為表面鈍化