半导体器件物理第三章半导体的表面特性.ppt

半导体器件物理第三章半导体的表面特性现在学习的是第1页，共37页第3章 半导体的表面特性本章要点l 半导体的表面与Si-SiO2系统的特性l 表面空间电荷区的状态和表面势的概念l MOS结构的阈值电压和MOS结构的应用l MOS结构的C-V特性l 金属与半导体接触、肖特基势垒二极管（SBD）现在学习的是第2页，共37页3.1 半导体表面与Si-SiO2系统半导体表面悬挂键Si原子3.1.1 理想的半导体表面 所谓理想的半导体表面是指原子完全有规则的排列且终止于同一平面上。 但显而易见的是，由于表面处晶格原子排列的终止，故表面处的原子存在不饱和共价键，被称为悬挂键。一般地，一个悬挂键对应一个电子状态，将称其为表面态。现在学习的是第3页，共37页Si衬底SiO2层3.1 半导体表面与Si-SiO2系统在制作晶体管和集成电路之前，半导体Si晶体表面需经过仔细研磨、抛光和清洁处理，并确保其良好的平整度。硅（Si）还是一种较活泼的化学元素，其氧化物SiO2在半导体制备中有着特殊的功用，主要用作为：绝缘介质层，用于分隔金属膜及其他导电材料；掩蔽层，用于杂质元素的选择性掺杂；钝化，保护器件和晶圆免受外来物质与离子的沾污。现在学习的是第4页，共37页Si衬底SiO2NaHNa可动离子固定电荷界面态辐射电离陷阱3.1.2 Si-SiO2系统及其特性3.1 半导体表面与Si-SiO2系统在Si-SiO2系统中，至少存在四种因素影响其电学性能的稳定，它们分别是： 可动离子，以钠离子（Na+)为主要对象； 固定电荷，通常是一些过剩的硅离子Si+； 辐射电离陷阱； 界面态，即前述的表面态。现在学习的是第5页，共37页3.1 半导体表面与Si-SiO2系统界面态SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiOOOHSiSiSi-SiO2界面图中显示了Si晶圆经氧化以后，Si-SiO2界面的结构情形。实验表明，界面态面密度与晶圆的晶向、氧化炉温、退火工艺等因素有关。根据所制备的器件不同，理想的情形是将面密度控制在1010/cm2eV以下。现在学习的是第6页，共37页MOS晶体管12nnPSi电极或金属互连线SiO2层源、漏区或衬底Si3.2 表面空间电荷区与表面势MOS结构是半导体器件结构中两种最基本的结构之一。图中显示了它构成MOS晶体管的核心结构；显示了由于金属布线而广泛存在于集成电路中的寄生MOS结构。现在学习的是第7页，共37页pSiGV栅介质(SiO2)栅电极3.2 表面空间电荷区与表面势3.2.1 表面空间电荷区对于不同的栅压VG，表面空间电荷区存在四种状态：a.VG=0V 平带状态；b.VG0V 耗尽状态；d.VG0V 反型或强反型状态。理想MOS结构的条件： Si-SiO2系统中不存在前述的三种性质的电荷及界面态；金属栅与衬底半导体材料之间的功函数相等。现在学习的是第8页，共37页3.2 表面空间电荷区与表面势a. VG=0V 平带状态FMEMetal2SiOPSiVEFSEiEcE2SiO中能级0GVVPSiOx( ) xxO电荷分布MOS结构两端的电压为0，此时衬底Si表面不受任何电场作用，故不存在空间电荷区，因此体电荷密度分布(x)=0,半导体表面能带是平直的。现在学习的是第9页，共37页FMEMetal2SiOPSiVEFSEiEcEOXqVSqdx( )xmQSCQx电荷分布0GV PSiOxdxOXVS0V 空穴O3.2 表面空间电荷区与表面势b. VG0V 多子积累状态此时，受负栅压的作用，P-Si衬底的多数载流子空穴趋于流向表面，形成一薄层空穴积累层。由于衬底基准电位为0，故表面势s0V 耗尽状态受到正栅压的作用，半导体表面处的空穴趋于流向衬底，从而导致留下一层受主负离子，并构成空间电荷区，此时表面势s0，表面处能带向下弯曲，电荷分布见图。现在学习的是第11页，共37页PSiOxmaxdx0GV 电子反型层FMEVEFSEiEcEMetal2SiOPSi( )xmQxSCQmaxdx电荷分布O耗尽层3.2 表面空间电荷区与表面势d. VG0V 反型或强反型状态当栅极电压VG进一步提高并使得表面势S满足S2FP，半导体表面吸引了更多数量的电子并形成电子反型层，空间电荷区厚度达到最大值Xdmax,表面处能带弯曲如图所示。现在学习的是第12页，共37页3.2 表面空间电荷区与表面势半导体材料的费米势FSi材料费米势F的定义：iFFEEqVEFSEiEcE对P-Si和N-Si材料，它们的费米势FP和FN分别为：lnAFPiNkTqnlnDFNiNkTqn 室温下：kT/q=0.026V现在学习的是第13页，共37页PSiOxmaxdx0GV 3.2 表面空间电荷区与表面势3.2.2 表面势表面势是指半导体表面与半导体衬底之间的电势差，用S表示。它表征了空间电荷区电荷的变化情况以及表面处能带的弯曲情况。根据泊松方程22( )Sdxdx 其中( )AxqN 可以得到如下表达式2(0)2ASdSqNx现在学习的是第14页，共37页xOmaxdx( )E x( )xxOmaxdxGVS3.2 表面空间电荷区与表面势 另外，表面空间电荷区的电场和电势分布如图所示，它们的表达式分别为：( )()AdSqNE xxx2( )()2AdSqNxxx 而表面空间电荷区的电荷面密度QSC可表达为：1/2(2 )SCSASQqN P-Si衬底1/2(2 )SCSDSQqN N-Si衬底现在学习的是第15页，共37页PSiOxmaxdxGTVVMQSCQ3.3 MOS结构的阈值电压3.3.1 理想MOS结构的阈值电压 （以P-Si衬底的MOS结构为例 ）定义：当P型Si半导体表面达到强反型，且反型层电子浓度等于衬底空穴（多子）浓度时，这时所施加的栅极电压VG称作MOS结构的阈值电压，也称开启电压，用VT表示。1/2(4)2SAFPTFPOXqNVClnAFPiNkTqnVT表达式为（P-Si衬底）：同理，对N-Si衬底，有1/2(4)2SDFNTFNOXqNVC lnDFNiNkTqn 现在学习的是第16页，共37页FE真空能级E0金属或半导体材料真空电子W电子3.3 MOS结构的阈值电压1. 金属与半导体的功函数W3.3.2 实际MOS结构的阈值电压 定义： 功函数W是指一个能量位于费米能级EF处的电子从金属或半导体内部逸出到真空中所需要给予它的最小能量 。0FWEE定义式为：N型P型ND/cm-3101410151016NA/cm-3101410151016WS/eV4.374.314.25WS/eV4.874.934.99Si 材料在不同掺杂浓度下的功函数WS （单位：eV）现在学习的是第17页，共37页Al2SiOPSiVEFSEiEcEF AlEAlWSW0GVVPSiOxdxOXVSAl栅3.3 MOS结构的阈值电压2. 金属与半导体功函数差对VT的影响图（a）所示是一个普通MOS结构的能带图。当用金属铝来做栅极时，由于铝的功函数较小，约为WAl=4.13eV,通常小于半导体的功函数，如图。因此，即使不施加栅压，栅极也会与半导体衬底发生电子交换，见图（b）。(a)(b)现在学习的是第18页，共37页F AlEAl2SiOPSiVEFSEiEcEOXqVSqdxPSiGmsV3.3 MOS结构的阈值电压(c)(d) 图（c ）所示的是这种电子交换结束时，并且在达到新的平衡态时的能带图。当栅极金属功函数较小时，半导体表面能带通常向下弯曲。 为使半导体表面能带变平，需要在栅极施加补偿电压VG，如图（d）所示。数值上， VG=ms。考虑ms后，VT修正为下式(P-Si)。1/24sAFPTmsFPoxqNVC现在学习的是第19页，共37页0GVVPSiOxdxSSQF AlEAl2SiOPSiVEFSEiEcESqdx3.3 MOS结构的阈值电压3.栅氧化层中有效表面态电荷密度QSS对VT的影响图（e）显示了栅氧化层中各种正电荷以及Si-SiO2界面的界面态对半导体表面的影响，图中用有效表面态电荷密度QSS来等效，它位于Si-SiO2界面SiO2一侧，这样来等效，便于问题的处理。图（f）则显示了半导体表面受QSS作用后能带弯曲情形。(e)(f)现在学习的是第20页，共37页PSiOxSSGOXQVCAl2SiOPSiVEFSEiEcEF AlEAlW3.3 MOS结构的阈值电压(g)(h)图（g）显示了为平衡SiO2层中有效表面态电荷密度QSS对半导体表面的影响，施加补偿电压VG的情形。在数值上该补偿电压需满足VG=（QSS/Cox）。一般地，由于QSS0，因此，有VGV2V1，因此，c势阱中的电势能最低，当b阱中有信息电荷时，在V3脉冲的作用下，将会转移到c阱中，实现信息转移。现在学习的是第25页，共37页1TT1RRC30p50k1003.4 MOS结构的C-V特性3.4.1 MOS电容从结构上看，MOS结构实际上构成了一个电容器，它的栅电极构成了该电容器的上电极，而下面的半导体衬底则构成了电容器的下电极。前面的分析已经表明，当在金属栅极上施加不同的电压时，在半导体衬底的表面会感应出空间电荷区以及反型层或者多数载流子的积累层。另外，我们也注意到这个下电极，即半导体衬底的表面在带电情形时与普通电容器的带电情形存在一定的区别，这告诉我们这种MOS电容器应当与普通电容器存在一定的区别。图示电路中的C是一个MOS电容，由于单位面积的电容量较小，MOS电容也只能制作小容量电容，一般小于100PF。现在学习的是第26页，共37页VVMOS电容直流偏压交流小信号gi信号电流P-Si3.4 MOS结构的C-V特性3.4.2 理想 MOS电容的C-V特性由于MOS电容也是一种非线性电容，即是它的电容值是随着施加在它上面的直流偏压而改变的，因此实质上是一种微分电容。图示为一种测量MOS电容的原理电路。其中V为直流偏压，V=u为测量信号。定义：( )dQC VdV或者近似( )QC VV现在学习的是第27页，共37页dxdxQQQGVoxVSPSi2SiOQ3.4 MOS结构的C-V特性1. 栅极直流偏压满足 VG0（以P-Si为衬底）当栅极施加负偏压时，P-Si表面感应出多子空穴的积累层，该空穴积累层紧靠Si表面，因此，负栅直流偏压在一定范围变化时，MOS电容值C(V)=Cox不变。20( )SiOoxoxC VCt2. 栅极直流偏压满足 0VGVT现在学习的是第29页，共37页GV( )C VOFBCoxC2468102 4 6 8 10minC高频 f 1kHz低频 f 1kHz)2( )11oxSoxoxSiOoxSdmoxSioxSCCCCC VCCxCtCii) 低频情况 (f100Hz)( )oxC VC理想C-V特性曲线现在学习的是第30页，共37页3.4 MOS结构的C-V特性3.4.3 实际MOS电容的 C-V 特性1. 金属-半导体功函数差对 C-V 特性的影响受金属栅极与半导体衬底材料功函数的不同，当它们之间的接触电势差为ms时，曲线将平移该数值，如图所示。对于绝大部分金属，由于msWs。当它们紧密接触以后，所形成的能带图如图(d)所示，并产生一势垒，称其为肖特基势垒，势垒高度为qVD=EFS-EFm。现在学习的是第35页，共37页3.5 金属与半导体接触cEvEFSEFmEmDqV(a)cEvEFSEFmEm()Dq VV(b)cEvEFSEFmEm()Dq VV(c) 关于整流接触的热电子发射理论热电子发射理论认为：在一定温度T下，总有少量位于费米能级EFm附近的电子因获得足够能量而逸出金属表面，这种现象称为热电子发射。同样地，对于半导体来说，也总会存在少量位于导带底附近的电子因获得足够能量而逸出其表面的现象发生，见图(a)所示。现在学习的是第36页，共37页3.5 金属与半导体接触图(a)表明，在金属-半导体交界面两侧，金属中将有少量电子突破势垒m进入到半导体一侧，而半导体中也同样会有部分电子越过势垒qVD进入到金属中（注意这里m稍大于qVD且是不变的）。当系统处于平衡态时，金属与半导体互相通过界面发射电子，它们各自所对应的电子电流大小相等，而方向相反，于是通过肖特基势垒的净电流为零。但应当注意，这种平衡是动态的，一旦施加外加偏压，这种平衡将会被打破，从而产生一定的净电流。图(b)显示了施加正向偏压的情形，这时半导体向金属发射电子数量明显增加，形成正向电流；图(c)显示了施加反向偏压的情形，这时半导体向金属发射的电子数量极少，而金属向半导体发射的电子数量基本不变，因为m不变，从而形成一股反向电流。/0(1)qV kTIIe金-半整流接触伏安特性方程：/20mkTIA CT e其中A为结面积，C为常数。现在学习的是第37页，共37页