半导体表面特性及MOS电容.ppt
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1、半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理第 7 章半导体表面特性及半导体表面特性及MOS电容电容 7.1 7.1 半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构7.2 7.2 表面势表面势表面势表面势7.3 MOS7.3 MOS结构的电容结构的电容结构的电容结构的电容电压特性电压特性电压特性电压特性7.4 MOS7.4 MOS结构的阈值电压结构的阈值电压结构的阈值电压结构的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第
2、七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点l硅硅-二氧化硅界面中存在的二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施不利因素和消除措施lMOS结构中结构中C-V曲线揭示了曲线揭示了 氧化层等器件质量性能氧化层等器件质量性能l阈值电压表征半导体表面反型状态,阈值电压表征半导体表面反型状态,它是它是MOS器件的基础器件的基础半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体
3、器件物理7.1 半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构 半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的今别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的今天,半导体器件的制造相当多是在很薄的一层表面天,半导体器件的制造相当多是在很薄的一层表面内完成的(几个微米甚至更小),因而,如何有效内完成的(几个微米甚至更小),因而,如何有效控制和完善半导体的表面质量,从而进一步利用半控制和完善半导体的表面质量,从而进一步利用半导体表面效应,可用来制造例如导体表面效应,可用来制造例如MOS(金属(金属-氧化氧化物物-半导体)器件半导体)
4、器件、CCD(电荷耦合器件)、(电荷耦合器件)、LED(发光二极管)、(发光二极管)、LCD(液晶显示)、半导(液晶显示)、半导体激光等表面发光器件,以及太阳能电池等表面感体激光等表面发光器件,以及太阳能电池等表面感应器件。应器件。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理理想表面(清洁表面)理想表面(清洁表面)原子完全有规则排列所终止的一个平面。原子完全有规则排列所终止的一个平面。表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形成共价键,
5、但由于表面价键处于所谓成共价键,但由于表面价键处于所谓“悬挂键悬挂键”的空置状态,其状态极其不稳定,表面很容的空置状态,其状态极其不稳定,表面很容易吸附一些其他原子例如空气中的氧原子而形易吸附一些其他原子例如空气中的氧原子而形成氧化层。成氧化层。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理真实表面真实表面 用物理或化学方法形成的半导体表面,暴用物理或化学方法形成的半导体表面,暴露在空气中,存在氧化层或吸附其他原子。露在空气中,存在氧化层或吸附其他原子。表面存在表面存
6、在表面存在表面存在“悬挂键悬挂键悬挂键悬挂键”,对电子有受主的性,对电子有受主的性,对电子有受主的性,对电子有受主的性质,存在一些可以容纳电子的能量状态,称为质,存在一些可以容纳电子的能量状态,称为质,存在一些可以容纳电子的能量状态,称为质,存在一些可以容纳电子的能量状态,称为“表面能级表面能级表面能级表面能级”或或或或“表面态表面态表面态表面态”。表面能级在禁带中靠近价带顶的位置,准表面能级在禁带中靠近价带顶的位置,准表面能级在禁带中靠近价带顶的位置,准表面能级在禁带中靠近价带顶的位置,准连续。连续。连续。连续。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面
7、特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理表面能级密度表面能级密度单位面积所具有的表面态的数目。单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级表面费米能级 (EF)S载流子填充表面能级的状态。载流子填充表面能级的状态。载流子填充表面能级的状态。载流子填充表面能级的状态。电子填充带负电;电子填充带负电;电子填充带负电;电子填充带负电;空穴填充带正电。空穴填充带正电。空穴填充带正电。空穴填充带正电。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电
8、容半导体器件物理半导体器件物理内表面内表面真实表面存在天然氧化层,真实表面存在天然氧化层,半导体与天然氧化层的交界面;半导体与天然氧化层的交界面;内表面能级密度比原子密度小好几个数量级。内表面能级密度比原子密度小好几个数量级。外表面外表面天然氧化层与外界接触的交界面。天然氧化层与外界接触的交界面。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理快态能级快态能级在毫秒甚至更短的时间内完成与体内交换电子。(内表面)在毫秒甚至更短的时间内完成与体内交换电子。(内表面)需较长时
9、间完成与体内交换电子。(外表面)需较长时间完成与体内交换电子。(外表面)慢态能级慢态能级半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理Si-SiO2界面的结构界面的结构 利用热生长或化学汽相淀积人工生长的利用热生长或化学汽相淀积人工生长的SiO2可可有厚达几千埃(有厚达几千埃(10-10m),外表面能级几乎无法与),外表面能级几乎无法与体内交换电子,体内交换电子,Si-SiO2界面有别于理想表面和真界面有别于理想表面和真实表面,慢态能级和外界气氛对半导体内的影响很实表
10、面,慢态能级和外界气氛对半导体内的影响很小。小。SiO2常用作常用作MOS结构中的绝缘介质层,器件结构中的绝缘介质层,器件有源区之间场氧化隔离,选择掺杂的掩蔽膜,钝化有源区之间场氧化隔离,选择掺杂的掩蔽膜,钝化保护膜等。保护膜等。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理 硅硅-二氧化硅界二氧化硅界面,二氧化硅层中,面,二氧化硅层中,存在一些严重影响存在一些严重影响器件性能的因素,器件性能的因素,主要是氧化层中主要是氧化层中可可动离子动离子,固定氧化固定氧化层电荷
11、层电荷,界面陷阱界面陷阱,以及辐射、高温高以及辐射、高温高负偏置应力会引起负偏置应力会引起附加氧化层电荷的附加氧化层电荷的增加等。增加等。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理可动离子可动离子 在人工生长的二氧化硅层中存在着一些可移动在人工生长的二氧化硅层中存在着一些可移动的正电荷,它们主要是沾污氧化层的一些离子。刚的正电荷,它们主要是沾污氧化层的一些离子。刚沾污时,这些正离子都在氧化层的外表面上。在电沾污时,这些正离子都在氧化层的外表面上。在电场及温度的作用
12、下,它们会漂移到靠近硅场及温度的作用下,它们会漂移到靠近硅-二氧化硅二氧化硅界面处,在硅的表面处感应出负电荷,对器件的稳界面处,在硅的表面处感应出负电荷,对器件的稳定性有很大的影响。其中最主要的是定性有很大的影响。其中最主要的是钠离子钠离子(Na+),),它在二氧化硅中进行漂移的激活能很低,因此它在二氧化硅中进行漂移的激活能很低,因此危害危害很大很大。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理 为了防止和去掉钠离子沾污的影响,除了严格执行工为了防止和去掉钠离子沾污
13、的影响,除了严格执行工艺规定防止离子沾污外,提高制备材料(如化学试剂、气艺规定防止离子沾污外,提高制备材料(如化学试剂、气体等)的纯度,改进工艺装备和方法,是获得稳定的体等)的纯度,改进工艺装备和方法,是获得稳定的MOS器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用:器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用:磷磷稳定化稳定化和和氯中性化氯中性化。磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃,扩散中可动磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃,扩散中可动钠离子总是进入氧化层中的富磷区,一旦离子被陷在磷硅钠离子总是进入氧化层中的富磷区,一旦离子被陷在磷硅玻璃中,即使回到室温,它仍会保持被陷状态,保证二氧玻璃中,即使回到
14、室温,它仍会保持被陷状态,保证二氧化硅内碱金属离子最小状态。化硅内碱金属离子最小状态。氯中性化在即生长二氧化硅层时,将少量氯化合物一氯中性化在即生长二氧化硅层时,将少量氯化合物一起反应生成一种新的材料,它是位于氧化层起反应生成一种新的材料,它是位于氧化层-硅界面的氯硅界面的氯硅氧烷,当钠离子迁移到氧化层硅氧烷,当钠离子迁移到氧化层-硅界面时会被陷住中和,硅界面时会被陷住中和,实现稳定化。实现稳定化。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理 实验表明硅实验表明硅实
15、验表明硅实验表明硅-二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固定正电荷,它们大致分布在近界面定正电荷,它们大致分布在近界面定正电荷,它们大致分布在近界面定正电荷,它们大致分布在近界面100100的范围内。对半导体表面的范围内。对半导体表面的范围内。对半导体表面的范围内。对半导体表面的电性质有重要的影响。其的电性质有重要的影响。其的电性质有重要的影响。其的电性质有重要的影响。其特点特点特点特点可总结分析如下:可总结分析如下:可总结分析如下:可总结分析如下:(1 1)固定电
16、荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关;)固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关;)固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关;)固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关;(2 2)固定电荷受不同晶向影响而变化,其密度()固定电荷受不同晶向影响而变化,其密度()固定电荷受不同晶向影响而变化,其密度()固定电荷受不同晶向影响而变化,其密度(111111)表面最大,)表面最大,)表面最大,)表面最大,(100100)表面最小,两者比例大约为)表面最小,两者比例大约为)表面最小,两者比例大约为)表面最小,两者比例大约为3 3:1 1;(3 3)固定电荷密度与氧化条
17、件(如氧化气氛、炉温)紧密相关,)固定电荷密度与氧化条件(如氧化气氛、炉温)紧密相关,)固定电荷密度与氧化条件(如氧化气氛、炉温)紧密相关,)固定电荷密度与氧化条件(如氧化气氛、炉温)紧密相关,温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意,当氧化过程温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意,当氧化过程温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意,当氧化过程温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意,当氧化过程中经过不同温度条件生长氧化层,其固定电荷由最终温度决定;中经过不同温度条件生长氧化层,其固定电荷由最终温度决定;中经过不同温度条件生长氧化层,其固定电荷由最终温度决定;中经过不同温度
18、条件生长氧化层,其固定电荷由最终温度决定;(4 4)氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火(加热)足够长的时间,)氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火(加热)足够长的时间,)氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火(加热)足够长的时间,)氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火(加热)足够长的时间,不管其生长氧化层温度高还是低,总可以获得最小固定电荷密度不管其生长氧化层温度高还是低,总可以获得最小固定电荷密度不管其生长氧化层温度高还是低,总可以获得最小固定电荷密度不管其生长氧化层温度高还是低,总可以获得最小固定电荷密度值。值。值。值。固定正电荷固定正电荷半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特
19、性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理 先生长的氧化层却是留在外表面,而后生长的氧化层则是留在与先生长的氧化层却是留在外表面,而后生长的氧化层则是留在与硅接触的内表面,即界面处,这也就是界面处固定电荷为什么由最终硅接触的内表面,即界面处,这也就是界面处固定电荷为什么由最终氧化温度决定的道理(氧化温度越低,固定正电荷密度越大)。减少氧化温度决定的道理(氧化温度越低,固定正电荷密度越大)。减少固定电荷的标准工艺,即在惰性气体中固定电荷的标准工艺,即在惰性气体中退火退火,图中可见它的,图中可见它的QF(单位(单位栅面积固定电荷)值
20、最小。栅面积固定电荷)值最小。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理界面陷阱(界面态)界面陷阱(界面态)界面陷阱一般分布于整个禁带范围内,有的甚至界面陷阱一般分布于整个禁带范围内,有的甚至可以高于导带底(可以高于导带底(EC)和低于价带顶()和低于价带顶(EV)。)。界面陷阱可以是施主型的,也可以是受主型的。界面陷阱可以是施主型的,也可以是受主型的。产生界面陷阱主要由于半导体表面的不完全化学产生界面陷阱主要由于半导体表面的不完全化学键或所谓键或所谓“悬挂键悬挂
21、键”引起的。界面价键在形成氧化层引起的。界面价键在形成氧化层时,没有被饱和而悬挂着,就会变成界面陷阱。时,没有被饱和而悬挂着,就会变成界面陷阱。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理(1)界面陷阱密度在()界面陷阱密度在(111)表面最大,在()表面最大,在(100)表)表面最小,禁带中央其界面态比例大约为面最小,禁带中央其界面态比例大约为3:1;(2)界面陷阱在干氧气氛中氧化后,其密度较高,禁)界面陷阱在干氧气氛中氧化后,其密度较高,禁带中央为带中央为101
22、11012/cm2eV,氧化温度越高,界面态密,氧化温度越高,界面态密度越大;度越大;(3)在较低温度()在较低温度(500)含氢气气氛中退火可以减)含氢气气氛中退火可以减小界面态密度,禁带中央为小界面态密度,禁带中央为1010/cm2eV,但是在惰性,但是在惰性气氛高温(气氛高温(600)下退火却不能降低;)下退火却不能降低;(4)界面陷阱密度在禁带中央的区域基本不变,在靠)界面陷阱密度在禁带中央的区域基本不变,在靠近价带顶和导带底边缘增长很快。且数目相等、电性相近价带顶和导带底边缘增长很快。且数目相等、电性相反,即导带下应该是施主型界面态,价带上应该是受主反,即导带下应该是施主型界面态,价
23、带上应该是受主型界面态。型界面态。半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理 减小界面态的方减小界面态的方法除了氢气退火外,法除了氢气退火外,还可用金属后退火工还可用金属后退火工艺,在金属后退火温艺,在金属后退火温度下活性栅材料(铝)度下活性栅材料(铝)会在氧化层表面与水会在氧化层表面与水蒸气反应,释放出氢蒸气反应,释放出氢原子,它会通过二氧原子,它会通过二氧化硅层与悬挂键结合,化硅层与悬挂键结合,从面减小界面态密度。从面减小界面态密度。界面态能量分布和退火前后界
24、面态密度比较界面态能量分布和退火前后界面态密度比较半导体器件物理半导体器件物理第七章第七章第七章第七章 半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及半导体表面特性及MOSMOS电容电容电容电容半导体器件物理半导体器件物理电离陷阱电离陷阱 固态器件中固态器件中辐射损伤辐射损伤一直是航空和军事应用上碰到一直是航空和军事应用上碰到的主要问题。有些损伤会直接导致失效,而更多的可能的主要问题。有些损伤会直接导致失效,而更多的可能使器件和系统退化,影响其性能和使用。使器件和系统退化,影响其性能和使用。辐射损伤的主要过程辐射损伤的主要过程:首先在氧化层中产生电子:首先在氧化层中产生电子-空穴对,其一部分
25、会立刻复合,剩余部分在氧化层中电空穴对,其一部分会立刻复合,剩余部分在氧化层中电场作用下分离,电子和空穴沿相反方向加速,由于电子场作用下分离,电子和空穴沿相反方向加速,由于电子的迁移率比空穴大,电子会迅速离开氧化层(纳秒数量的迁移率比空穴大,电子会迅速离开氧化层(纳秒数量级),而空穴由于跃迁一段时间后到达级),而空穴由于跃迁一段时间后到达Si-SiO2界面,它界面,它会与来自硅的电子复合或在深能级处被陷住,一旦陷住会与来自硅的电子复合或在深能级处被陷住,一旦陷住后,就类似于固定电荷(称之为电离陷阱)。同时,辐后,就类似于固定电荷(称之为电离陷阱)。同时,辐射还能增加界面态。射还能增加界面态。半
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