半导体表面与MIS结构概要.ppt

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1、第1页2010年12月23日星期四第八章、半导体表面与MIS结构本章讨论表面特性和另一种半导体结构，MIS结构。以及表面电场、电容特性。主要内容表面态MIS结构概述表面电场效应和MIS电容第2页2010年12月23日星期四§8.1表面态理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限大晶体表面。表面态：晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，引起附加能级，称为表面能级，或表面态。也叫做Tamm能级。理想硅表面的面密度值与原子密度相同，为1015cm-3。第3页2010年12月23日星期四实际表面受到多种因

2、素的影响：1、表面层中，离子实受到的势场作用不同于晶体内部，使晶体所固有的三维平移性受到破坏，表面发生再构现象。2、表面粘污。3、表面氧化。对于硅来说，产生SiO2。产生SiO2后，硅表面的悬挂健大部分被SiO2所饱和，表面态密度大大降低，但并不会降到零。§8.2MIS结构概述MIS器件具有易于驱动，是压控器件，控制MOS器件工作，只需提供电压，不需要太大电流，也就是不需要太大功率。MIS结构：是金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor)三层构成，MOS是三层物质字头的缩写。一、MOS的工艺过程简介第4页2010年1

3、2月23日星期四第5页2010年12月23日星期四一般将硅片称为衬底，金属层称为栅，生成氧代层的过程称为栅氧化。在硅的热氧化过程中，氧原子是通过扩散，穿过已生成的SiO2层达到SiO2-Si界面继续和Si反应，所以Si-SiO2界面不是绝对的断然分开，而是存在着10Å左右的过渡层，在过渡层中SiOx的配比x在1～2之间，是非理想的。二、Si-SiO2系统的性质实验发现，在Si-SiO2系统中，存在着多种形式的电荷和能量状态，一般可规纳为四种基本类型：1.固定电荷Qf主要存在于Si-SiO2界面附近，一般为正电荷，在外电场的作用下，这些电荷不会移动。固定

4、电荷主要起源于Si-SiO2界面附近过剩的硅离子,提高氧化温度以及适当的退火都可以降低Qf值。第6页2010年12月23日星期四2.可动电荷Qm主要分布在SiO2层中，一般为半径比较小的带正电的碱金属离子(Na+、K+、H+)，最常见的是Na+离子，它在SiO2中扩散系数和迁移率都比较大，在外电场作用下会在SiO2中移动。Na+离子来源于化学试剂、玻璃器皿、炉管、石英舟、人体沾污等。采用含Cl的氧化工艺，可以使SiO2层中可动离子的含量降低。第7页2010年12月23日星期四3.界面态电荷(界面陷阱电荷)Qit界面陷阱是指界面态，指存在于Si-SiO2

5、界面处(距Si表面3～5Å以内)能量位于禁带中的电子态。界面态有点类似于表面态，在过渡区中，结构为SiOx，是非理想化学配比，出现一些未饱和的悬挂键，它们可与体内交换电子：可以得到电子，成为负电中心，起受主作用；亦可失去电子，成为正电中心，起施主作用；与悬挂键对应的界面能级是禁带中的一些受主表面能级和施主表面能级，这类界面态称为本征界面态；还有一类界面态是由界面处的杂质离子以及各种缺陷引起的，称为非本征界面态。当施主界面态或受主界面态由于和体内交换电子而电离时，便产生了界面态电荷Qit。减少界面态的方法是在形成气体(90%N2+10%H2)中退火，用氢

6、来饱和悬挂键。第8页2010年12月23日星期四4.氧化层陷阱电荷Qot在SiO2层中，存在一些电子和空穴陷阱，它们与杂质和缺陷有关。由于x射线或γ射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击穿，都会在SiO2层中产生电子-空穴对，如果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在SiO2中移动，可以移动到电极上，而空穴在SiO2中很难移动，可能陷于这些陷阱中，成为正的陷阱电荷。辐照感应的空间电荷通过在300℃以上进行退火，可以很快消去。第9页2010年12月23日星期四§8.3表面电场效应和MOS电容一、表面电场效

7、应理想MOS结构功函数(Workfunction)：为费米能级到真空能级的差。亲和势(affinity)：半导体导带底到真空能级的差.理想MOS结构满足以下条件：金属与半导体之间功函数差为0；在SiO2层中没有任何电荷并且完全不导电；Si-SiO2界面处不存在任何界面态。第10页2010年12月23日星期四电场作用下的理想MOS结构当理想MOS结构的栅压为0时SiO2层两侧也没有电荷；半导体的能带是平直的，空间沿x轴方向没有电位差，如图所示，其中EC’、EV’分别为SiO2的导带底和价带顶；第11页2010年12月23日星期四金属一侧加正电压，栅压Vg

8、>0时：1.SiO2层两侧有电荷积累栅压Vg>0时，则产生一个由金属指向半导体的电场，SiO2