半导体表面与MIS结构.ppt

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1、 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构重点：重点：表面空间电荷层的性质表面空间电荷层的性质(表面电场效应表面电场效应)MIS结构的结构的C-V特性特性(理想和非理性理想和非理性MOS电容电容)多子堆积状态多子堆积状态平带状态平带状态多子耗尽状态多子耗尽状态少子反型状态少子反型状态硅硅二氧化硅系统的性质二氧化硅系统的性质 平带电压平带电压 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触C0CsVG

2、MISMIS结构的等效电路结构的等效电路MISMIS结构示意图结构示意图 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构VFB理想理想 实际实际C/C00VGP P型半导体型半导体MISMIS结构的结构的C C-V V特性特性 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性。MOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）器件半导体）器件电荷耦合器件电荷耦合器件CCD表面发光器件等表面发光器件等利用半导体表面效应利用半导体表面效应半半导导体体表表面面研研究究，半半导导体体表表面面理理论论发发展展，

3、对对改改善善器器件件性能，提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。性能，提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。OSM 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构最初的最初的MIS结构是由结构是由Moll在在1959年作为变容二年作为变容二极管的电压控制电容提出的。极管的电压控制电容提出的。Al/SiO2/SiMoll当时已经建议由当时已经建议由MIS电容监控氧化硅质量。电容监控氧化硅质量。OSM 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构1962年，年，Moll的两位研究生发表的博士论文的两位研究生发表的博士论文（Aninvestigatingofsu

4、rfacestateatasiliconsilicondioxideinterfaceemployingmetal-oxide-silicondiodes,SolidStateElectronics,5(5),LewisM.Terman,1962)中对中对MIS中界面束缚态进行详尽研究中界面束缚态进行详尽研究在在两种材料边界和界面中，束缚态称为界面陷阱。两种材料边界和界面中，束缚态称为界面陷阱。由由C-V特性曲线数据给出界面陷阱总密度。特性曲线数据给出界面陷阱总密度。OSM 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构20世世纪纪70年年代代起起，HFCV普普遍遍用用作作VLSI

5、制制造造过过程监控方法。程监控方法。1965年年GROVE等等给给出出正正确确HFCV物物理理模模型型和和理理论论(Investigating of thermally oxidized siliconsurfaceusingmetal-oxide-semiconductorstructures,J.Appl.Phys.33(8),1964)。1970年年Smith在贝尔实验室发明在贝尔实验室发明CCD器件。器件。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构作为半导体表面研究，难度大。作为半导体表面研究，难度大。侧重于：侧重于：实际表面实际表面 表面态概念表面态概念 表面电场效应

6、表面电场效应 硅二氧化硅系统性质硅二氧化硅系统性质 MIS MIS（指金属（指金属绝缘层绝缘层半导体）结构半导体）结构 的电容的电容电压特性电压特性等表面效应等表面效应 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构8.1表面态表面态表面处晶体的周期场中断；表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；表面往往要特殊保护措施，如钝化表面是器件制备的基础，如MOSFET等一、表面的特殊性一、表面的特殊性 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构二、二、理想表面理想表面理想一维晶体表面态：薛定谔方程为理想一维晶体表面态：薛定谔方程为xV(x)V0E0aE0时，

7、MIS+-金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触ECEVEFQmQsMISMIS结构实际是一个电容结构实际是一个电容 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构加电压加电压后，金属和半导体两个面内要充电后，金属和半导体两个面内要充电(Q Qm m=-=-Q Qs s)金属中，自由电子密度高，电荷分布在一金属中，自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度范围之内个原子层的厚度范围之内半导体中，自由载流子密度低，对应半导体中，自由载流子密度低，对应Q Qs s的电荷的电荷分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层叫叫空间电荷区空间电荷

8、区 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构VG0时，时，MIS结构的能带图结构的能带图,空间电荷区能带发生弯曲空间电荷区能带发生弯曲MIS+-0dECEVEF0dqVS空间电荷区内空间电荷区内：1)1)空间电场逐渐减弱空间电场逐渐减弱2)2)电势随距离逐渐变化电势随距离逐渐变化 能带弯曲能带弯曲 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构表面势表面势(VS)：空间电荷区两端的电势差：空间电荷区两端的电势差表面电势比内部表面电势比内部高高，V VS S0;0;表面电势表面电势低于低于内部，内部，V VS S00电子能量增加电子能量增加空穴能量增加空穴能量增加E

9、CEVEF0dqVSQm Vs Qs 能带弯曲能带弯曲+-+第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 随金属和半导体间所加电压随金属和半导体间所加电压VG（栅电压栅电压）的）的不同，空间电荷区内电荷分布可归纳为以下几不同，空间电荷区内电荷分布可归纳为以下几种种(以以p型半导体为例型半导体为例)：堆积堆积平带平带耗尽耗尽反型反型金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构1 1多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态金属与半导体间加负电压（金属与半导体间加负电压（金属接负金属接负）时，）时，表面势为负表面势为负，表面处

10、能带上弯，如图示。，表面处能带上弯，如图示。ECEVEFEiVG0MISE多子堆积多子堆积 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构热平衡下，费米能级应保持定值。热平衡下，费米能级应保持定值。随随着着向向表表面面接接近近，价价带带顶顶逐逐渐渐移移近近甚甚至至高高过过费米能级，价带中空穴浓度随之增加。费米能级，价带中空穴浓度随之增加。表面层出现空穴堆积而带正电荷。表面层出现空穴堆积而带正电荷。越越接接近近表表面面空空穴穴浓浓度度越越高高，堆堆积积的的空空穴穴分分布布在在最靠近表面的薄层内。最靠近表面的薄层内。ECEVEFEiVG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章

11、半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构越越近近表表面面，费费米米能能级级离离价价带带顶顶越越远远，价价带带中中空空穴浓度随之降低。穴浓度随之降低。表表面面处处空空穴穴浓浓度度比比体体内内低低得得多多，表表面面层层的的负负电电荷基本上等于电离受主杂质浓度。荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称做耗尽。表面层的这种状态称做耗尽。VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构4 4少子反型状态少子反型状态金金/半半间间的的正正电电压压进进一一步步增增大大，表表面面处处能能带带进进一步向下弯曲。一步向下弯曲。表面处表面处EF超过超过E

12、i，费米能级离导带底比离价，费米能级离导带底比离价带顶更近。带顶更近。ECEVEiEF少子反型少子反型VG0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构表表面面处处电电子子浓浓度度将将超超过过空空穴穴浓浓度度，形形成成与与原原来半导体衬底导电类型相反的层来半导体衬底导电类型相反的层-反型层反型层。ECEVEiEF少子反型少子反型VG0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹夹着一层耗尽层。着一层耗尽层。此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成，此时半导体空间电荷层内负电荷由

13、两部分组成，一是耗尽层中已电离的受主负电荷，一是耗尽层中已电离的受主负电荷，一是反型层中的电子，后者主要堆积在一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区近表面区。ECEVEiEF少子反型少子反型VG0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构归纳：多子堆积多子堆积VG=0平带状态平带状态ECEVEFEiVG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽ECEVEiEF少子反型少子反型VG0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构问题：金问题：金/O/n型半结构分析型半结构分析同学们可试试同学们可试试。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构8.2.2

14、表面空间电荷层的表面空间电荷层的电场、电势、电容电场、电势、电容通通过过解解泊泊松松方方程程定定量量地地求求出出表表面面层层中中电电场场强强度度和电势的分布，以分析表面空间电荷层的性质。和电势的分布，以分析表面空间电荷层的性质。金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构空间电荷区的空间电荷区的泊松方程泊松方程假设：假设：半导体表面是个无限大的面，其线度半导体表面是个无限大的面，其线度空间电荷层空间电荷层厚度厚度一维近似，一维近似，(,E,V)不依赖不依赖y,z半导体厚度半导体厚度空间电荷层厚

15、度空间电荷层厚度半导体体内电中性半导体体内电中性半导体均匀掺杂半导体均匀掺杂非简并统计适用于空间电荷层非简并统计适用于空间电荷层不考虑量子效应不考虑量子效应 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构1a)1a)空间电荷层电场分布空间电荷层电场分布 空间电荷层中电势满足的泊松方程为空间电荷层中电势满足的泊松方程为rs半导体相对介电常数，半导体相对介电常数，(x)总空间电荷密度总空间电荷密度VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构表面层电势为表面层电势为V的的x点点（取半导体内电势为零取半导体内电势为零），），电子电子和和

16、空穴的浓度分别为空穴的浓度分别为n np0p0:半导体体内平衡电子浓度半导体体内平衡电子浓度P Pp0p0:半导体体内平衡空穴浓度半导体体内平衡空穴浓度EC(x)=EC0-qV(x)VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构半导体内部，电中性条件成立半导体内部，电中性条件成立(x)=0即即VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构将式（将式（8-16）（）（8-19）代入式（）代入式（8-15），则得），则得 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构数学上做些处理数

17、学上做些处理两边乘以两边乘以dV积分得：积分得：从空间电荷层内边界积分到表面从空间电荷层内边界积分到表面 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构两边积分，电场强度两边积分，电场强度|E|=-dV/dx，则得，则得 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构令令LD：德拜长度：德拜长度F函数函数则则“+”：V0“-”:V0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构1b）表面电荷分布？）表面电荷分布？根据高斯定理：根据高斯定理：QQs s=-=-rs rs0 0E Es s负号与规定有关负号与规定有关（规定电场强

18、度指向半导体内部时为正）（规定电场强度指向半导体内部时为正）。Es代入上式，则得代入上式，则得金属电极为正，金属电极为正，Vs0，Qs负号；反之负号；反之Qs正号。正号。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构1c）表面电容分布）表面电容分布上式给出单位面积上的电容，单位为上式给出单位面积上的电容，单位为F/m2。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 多子堆积多子堆积 平带平带 多子耗尽多子耗尽 少子反型少子反型进行相应近似进行相应近似ESQSCS四种基本状态的电场、电势和电容四种基本状态的电场、电势和电容 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISM

19、IS结构结构应用上面公式分析表面层的状态应用上面公式分析表面层的状态1.1.多子堆积多子堆积p型型VG0，Vs0ECEVEFEiVG0MIS 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构将将上式代入式（上式代入式（8-258-25），式（），式（8-278-27）和式（）和式（8-318-31）中，则）中，则 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构表表面面电电荷荷随随表表面面势势的的绝绝对对值值 Vs 增增大按指数增长。大按指数增长。积累积累平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4 第八章第八章 半导体表

20、面与半导体表面与MISMIS结构结构表表面面势势越越负负，能能带带在在表表面面处处向向上上弯弯曲曲得得越越厉害时，表面层的空穴浓度急剧地增长。厉害时，表面层的空穴浓度急剧地增长。ECEVEFEiVG0，有有VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构将上式代入式（将上式代入式（8-26）及式（）及式（8-27），得），得VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构表面电场强度和表面电荷数正比于（表面电场强度和表面电荷数正比于（Vs）1/2。Es为为正值正值，说明，说明表面电场方向与表面电

21、场方向与x x轴正向一致轴正向一致；Qs为为负值负值，表，表空间电荷是电离受主杂质形式的空间电荷是电离受主杂质形式的负电荷负电荷。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构积累积累平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构耗尽时表面空间电荷区的电容可从式（耗尽时表面空间电荷区的电容可从式（8-31）求得为）求得为将式（将式（8-23）的）的LD代入上式，电离饱和时代入上式，电离饱和时Pp0=NA，则得，则得 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构

22、“耗尽层近似耗尽层近似”处理处理设空间电荷层的空穴全部耗尽，电荷全由已电离设空间电荷层的空穴全部耗尽，电荷全由已电离的受主杂质构成。的受主杂质构成。若半导体掺杂均匀，则若半导体掺杂均匀，则(x)=-qNA，泊松方程为，泊松方程为 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构Xd：耗尽层宽度，半导体内部电场强度及电势为零，耗尽层宽度，半导体内部电场强度及电势为零，边界条件：边界条件：积分积分 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构代入（代入（8-41），得），得表明表明C Cs s相当距离为相当距离为x xd d的平板电容器的单位面积电容。的平板电容器的单位面积

23、电容。xd表面处表面处x=0，则得表面电势，则得表面电势 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构从从耗耗尽尽层层近近似似很很易易得得出出半半导导体体空空间间电电荷荷层层中单位面积的电量为中单位面积的电量为 Qs=-qNAxd（8-45）与由式（与由式（8-39）中代入）中代入LD值所得结果相同。值所得结果相同。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构4.4.反型状态反型状态外加正电压外加正电压VG增大，表面处禁带中央能值增大，表面处禁带中央能值Ei可降到可降到EF下，出现反型层。下，出现反型层。以表面处少子浓度以表面处少子浓度ns是否超过体内多子浓是否超过

24、体内多子浓度度pp0为标志。为标志。强反型弱反型ECEVEiEF少子反型少子反型VG0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构表面处少子浓度为表面处少子浓度为表面处少子浓度表面处少子浓度ns=pp0时，上式化为时，上式化为 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构另据玻耳兹曼统计得另据玻耳兹曼统计得qVB=Ei-EFqVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图强反型临界条件时的能带图 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构得强反型的条件得强反型的条件Vs2VB (8-47)qVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图强反

25、型临界条件时的能带图 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构发生强反型的临界条件：发生强反型的临界条件：Vs=2VB图表示这时表面层的能带弯曲。图表示这时表面层的能带弯曲。qVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图强反型临界条件时的能带图 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构以以pp0=NA代入式（代入式（8-46），得），得则强反型条件可写为则强反型条件可写为 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构从从上上式式知知，衬衬底底杂杂质质浓浓度度越越高高，Vs越越大大，越不易达强反型。越不易达强反型。第八章第八章 半导体表面与

26、半导体表面与MISMIS结构结构 开启电压：开启电压：对对应应于于表表面面势势Vs=2VB时时金金属属板板上上加加的的电电压压称称做做开启电压开启电压，以，以VT表示之。即当表示之。即当Vs=2VB，第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构np0=niexp-qVB/(k0T)，pp0=niexpqVB/(k0T)np0/pp0=exp-2qVB/(k0T)临界强反型临界强反型Vs=2VB，因而，因而np0/pp0=exp-qVs/(k0T)。F函数为：函数为：计算计算E ES S,Q,QS,S,C CS S 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构当当qV

27、sk0T时，时，exp-qVs/(k0T)1，F函数为函数为代入式（代入式（8-26）及（）及（8-27），得到临界强反型时的），得到临界强反型时的 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构弱反型，耗尽层近似依然适用弱反型，耗尽层近似依然适用积累积累平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4ECEVEFEiqVBqVS弱反型：弱反型：Vs（VB，2VB）第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构强反型后，强反型后，Vs2VB，且，且qVsk0T 第

28、八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构将上式代入式（将上式代入式（8-26）及（）及（8-27），则），则 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构强反型强反型|Qs|随随Vs按指数规律增大按指数规律增大积累积累平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构强反型表面空间电荷层的电容为强反型表面空间电荷层的电容为上式表明上式表明Cs随表面电子浓度的增加而增大。随表面电子浓度的增加而增大。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构出现强

29、反型后，外加电场被反型层中积累的电子出现强反型后，外加电场被反型层中积累的电子所屏蔽，表面耗尽层宽度就达到一个极大值所屏蔽，表面耗尽层宽度就达到一个极大值xdm，xdm由由半导体材料的性质半导体材料的性质和和掺杂浓度掺杂浓度来确定。来确定。1)1)材料一定，材料一定，NNA A,x xdmdm2)2)E Eg g，n ni i,x xdmdm 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构表面反型层举例：表面反型层举例：VSqVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图强反型临界条件时的能带图反型层反型层耗尽层耗尽层 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构

30、在出现强反型后，半导体面积上的电荷量在出现强反型后，半导体面积上的电荷量Qs是两部分组成的是两部分组成的:电离受主的负电荷电离受主的负电荷QA=-qNAxdm反型层中的积累电子反型层中的积累电子 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构小结qVBECEVEFEiqVS耗尽：耗尽：Vs0，且接近，且接近VBECEVEFEiqVBqVS弱反型：弱反型：Vs（VB，2VB）ECEVEFEiqVBqVS强反型：强反型：qVBECEiEFEV堆积：堆积：Vs0E 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构5.5.深耗尽状态深耗尽状态 以以上上讨讨论论假假设设金金属属与与

31、半半导导体体间间所所加加的的电电压压VG不不变变空空间间电电荷荷层层的的平平衡衡状状态态，或或变变化化速速率率很很慢慢以以至至表表面面空空间间电电荷荷层层中中载载流流子子浓浓度度能能跟跟上上偏偏压压VG变变化的状态。化的状态。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构实际上尚存在深耗尽的非平衡状态。实际上尚存在深耗尽的非平衡状态。p型型为为例例，金金/半半间间加加一一脉脉冲冲阶阶跃跃电电压压或或高高频频正正弦弦波波形形成成的的正正电电压压时时，由由于于空空间间电电荷荷层层内内的的少少子子的的产产生生速速率率赶赶不不上上电电压压的的变变化化，反反型型层层来来不不及及建建立立，只只

32、有有靠靠耗耗尽尽层层延延伸伸向向半半导导体体内内深深处处而而产产生生大量受主负电荷大量受主负电荷以满足以满足电中性条件电中性条件。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 在脉冲式外电场的作用下，即使达到了在脉冲式外电场的作用下，即使达到了，但是，但是由于少数载流子的产生需要一定的时由于少数载流子的产生需要一定的时间，也不会立即出现反型层间，也不会立即出现反型层，而仍保持为耗，而仍保持为耗尽的状态（此时的耗尽厚度比最大耗尽层厚尽的状态（此时的耗尽厚度比最大耗尽层厚度还要大）。度还要大）。多数载流子完全被耗尽，应该出现，但是一多数载流子完全被耗尽，应该出现，但是一时不出现反型层

33、的一种半导体表面状态。时不出现反型层的一种半导体表面状态。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构半半导导体体表表面面深深耗耗尽尽的的区区域域是是少少数数载载流流子子的的一一种种势阱，可以容纳注入到其中的少数载流势阱，可以容纳注入到其中的少数载流子深耗尽状态是实际中经常遇到的一种状态深耗尽状态是实际中经常遇到的一种状态1.采用采用C-VC-V法测试杂质浓度分布法测试杂质浓度分布2.用用电容电容-时间法时间法测量衬底中少子寿命时测量衬底中少子寿命时3.CCDCCD和热载流子的雪崩注入和热载流子的雪崩注入CCD:半半导导体体表表面面深深耗耗尽尽势势阱阱来来存存储储信信号号电电荷荷

34、、并并进进行行电电荷荷转转移移的的一一种种器器件件，它它可可用用于于摄摄像像（光光注注入入信信息息电电荷）、信息处理和数字存储等荷）、信息处理和数字存储等 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构微微细细加加工工中中心心C C-V V测测试试系系统统8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容(Capacitance)-(Capacitance)-电压电压(Voltage)(Voltage)特性特性 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触C0CsVGMISMIS结构的等效电路结构的等效电路MISMIS结构

35、示意图结构示意图 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构VFB理想理想 实际实际C/C00VGP P型半导体型半导体MISMIS结构的结构的C C-V V特性特性 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构8.3.1 8.3.1 理想理想MISMIS结构的结构的C C-V V特性特性MIS加加VG，VG一一部部分分V0降降在在绝绝缘缘层层上上，另另一部在半导体表面层中，形成表面势一部在半导体表面层中，形成表面势Vs，即，即VG=V0+Vs金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构理理想想MIS

36、，绝绝缘缘层层没没电电荷荷，绝绝缘缘层层中中电电场场E0均匀，绝缘层厚度均匀，绝缘层厚度d0。则。则V0=E0d0金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构金金属属表表面面面面电电荷荷密密度度QM由由高高斯斯定定理理等等于于绝缘层内的电位移绝缘层内的电位移QM=，得，得 r0绝绝缘缘层层相相对对介介电电常常数数。QM=Qs，上上式式化化为为绝缘层单位面积电容。绝缘层单位面积电容。金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构将将代入代入VG=V0+Vs得得VG表示式表

37、示式金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构MIS结构电容为结构电容为将将代入上式，得代入上式，得分子分母除以分子分母除以dQs，令，令金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构则得则得表表明明MIS电电容容相相当当于于绝绝缘缘层层电电容容和和半半导导体体空空间电荷层电容的串联间电荷层电容的串联，可得可得MIS等效电路如图。等效电路如图。C0CsVG金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 第八

38、章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构理想理想MISMIS结构结构C C-V V特性特性多子堆积区：多子堆积区：平带状态：平带状态：多子耗尽：多子耗尽：少子反型：少子反型：型型 半半 导导 体体p p 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构堆积状态堆积状态 V VG G00，V Vs s00VGC0d0CsECEVEFEiVG0MIS 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构1)加加较较大大负负偏偏压时压时，|Vs|较较大，大，C/C0=1，C=C0。半半导导体体从从内内部部到到表表面面可可看看成成是是导导通通的的，电电荷荷聚聚集集在在绝绝

39、缘层两边，如缘层两边，如AB段段ABCEFC0CFBC0DCminCmin低频低频GH高频高频+VVGC0d0Cs0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构2）VG0,Vs0,|Vs|较较小小时时，C/C00，未反型，未反型VG，xd,Cs,C/C0平行电容器等效平行电容器等效VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽ABCEFC0CFBC0DCminCmin低频低频GH高频高频+V 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构强反型状态：强反型状态：a)a)低频状态低频状态(10100Hz)(10100Hz)，电子的产生与复合，电子的产生与复合跟得上小信号的变化

40、。跟得上小信号的变化。Vs较大，较大，qVs2qVBk0T，C/C0=1,MIS电容又上升到绝缘层电容电容又上升到绝缘层电容,如图中如图中EF段所示。段所示。0VS=2VB VG=VT（阈值电压，开启电压阈值电压，开启电压）ABCEFC0CFBC0DCminCmin低频低频GH高频高频+V 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构b)高频时，高频时，电子的产生与复合跟不上高频信号的电子的产生与复合跟不上高频信号的变化，反型层电子对电容没有贡献，变化，反型层电子对电容没有贡献，空间电荷空间电荷区的电容由耗尽层的电荷变化决定区的电容由耗尽层的电荷变化决定MIS电容是绝缘层电容及与

41、最大耗尽层厚度电容是绝缘层电容及与最大耗尽层厚度xdm对对应耗尽层电容的串联组合。最大耗尽电容应耗尽层电容的串联组合。最大耗尽电容Cs=rs 0/xdm，C0=r0 0/d0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构得得对同种半导体材料，对同种半导体材料，T定，定，Cmin/C0为为d0及及NA的函数。的函数。第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构d0定，定，NA大，大，Cmin/C0值就越大。值就越大。由此可测半导体表面的杂质浓度。由此可测半导体表面的杂质浓度。高高频频条条件件下下，理理想想MISMIS结结构构的的归归一一化化极极小小电电容容与与氧氧化化

42、层厚度关系层厚度关系 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构这这种种方方法法测测得得的的是是绝绝缘缘层层下下半半导导体体表表面面层层中中的的真真实实浓度，浓度，可用此法可用此法测热氧化引起硅表面的杂质再分布。测热氧化引起硅表面的杂质再分布。高频条件下，理想高频条件下，理想MISMIS结构的结构的归一化极小电容与氧化层厚度关系归一化极小电容与氧化层厚度关系 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构低频，弱反型低频，弱反型VG0,VG,d,Qs:从V1/2 exp(qVs/2k0T)Cs=dQs/dVs:从V-1/2 exp(-qVs/k0T)C-DE段段AB

43、CEFC0CFBC0DCminCmin低频低频GH高频高频+V 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构深耗尽情况（快速深耗尽情况（快速C-V扫描）扫描）从深耗尽到热平衡反型层所需的热驰豫时间从深耗尽到热平衡反型层所需的热驰豫时间th为为1-100s反型反型层层的建立不是一个很快的的建立不是一个很快的过过程程快速直流偏快速直流偏压扫压扫描描导导致反型致反型层层不能建立，不能建立，“耗尽耗尽层层近似近似”依然适用，依然适用，ddmax,Cs V-1/2C右图右图GI段段ABCEFC0CFBC0DCminCmin低频低频GH高频高频+V 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MI

44、SMIS结构结构MISMIS结构电容与频率有关结构电容与频率有关不同频率下不同频率下C-V特性曲线变化大。特性曲线变化大。在开始强反型时，低频信号测得的电容值接在开始强反型时，低频信号测得的电容值接近绝缘层的电容近绝缘层的电容C0。C/C0VGO10Hz102Hz105Hz测试频率对测试频率对MISMIS结构结构C C-V V特性影响特性影响 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构n n型半导体的型半导体的C-VC-V特性特性低频低频高频高频0+Vn n型半导体型半导体MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构结

45、论理想MIS结构，半导体材料与绝缘层材料一定时，C-V特性随半导体材料掺杂半导体材料掺杂浓度浓度及绝缘层厚度绝缘层厚度d0而变；C-V特性与频率频率有关 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性VFB理想理想 实际实际C/C00VG意义：分析实验分析实验C-V曲线，可监控集成曲线，可监控集成电路生产制造工艺，以及对电路生产制造工艺，以及对MIS晶体管、晶体管、可靠性物理及失效机理作基本分析可靠性物理及失效机理作基本分析功函数功函数和和绝缘层电荷绝缘层电荷的影响的影响金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 第八章第八

46、章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构8.3.2金金/半功函数差对半功函数差对MIS结构结构C-V特性影响特性影响理想理想MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性未考虑金、半功函数差及绝缘层中存在电未考虑金、半功函数差及绝缘层中存在电荷等因素影响。荷等因素影响。这些因素对这些因素对MIS结构结构C-V特性会产生显著影响。特性会产生显著影响。求求平带电压，平带电压，思想：串联反向电池思想：串联反向电池 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构WsWm，电子从金属流向半导体中。，电子从金属流向半导体中。在在p硅表面层内形成带负电的空间电荷层，在金硅表面层内形成带负电

47、的空间电荷层，在金属表面产生正电荷。属表面产生正电荷。Al-SiO2-Si(p-type)AlP-SiSiO2EFE表面能带向下弯曲表面能带向下弯曲WAl4.25eV:4.05eVWsqVBEFmECEVEFsEiE0SiO2AlP-Si 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构硅硅内内部部的的费费米米能能级级相相对对于于金金属属的的费费米米能能级级就就要要向上提高平衡向上提高平衡半导体中电子的电势能相对于金属提高数值为半导体中电子的电势能相对于金属提高数值为可写为可写为AlP-SiSiO2EFE 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构金、半功函数不同金、

48、半功函数不同，偏压为零时，半导，偏压为零时，半导体表面层体表面层并不处于平带状态并不处于平带状态。AlP-SiSiO2EFE 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构要要恢恢复复平平带带状状态态，须须在在金金属属铝铝与与半半导导体体硅硅间间加加一一定定负负电电压压，抵抵消消两两者者功功函函数数不不同同引引起起的的电电场和能带弯曲。场和能带弯曲。恢恢复复平平带带状状态态所所需需加加的的电电压压叫叫平带电压，平带电压，以以V VFBFB表示表示ECEVEiEFAlP-SiSiO2qVFBWmWs平带电压平带电压 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构平带电压平

49、带电压C C-V V曲线整体沿电压轴负方向平移了一段距离曲线整体沿电压轴负方向平移了一段距离V VFBFB，形状不变形状不变理想理想功函数功函数C/C00VGVFB通过与理想通过与理想C C-V V比较，比较，C CFBFB V VFBFB V Vmsms W Wm m 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构8.3.3绝缘层中电荷对绝缘层中电荷对MIS结构结构C-V特性的影响特性的影响VFB理想理想绝缘层电荷绝缘层电荷C/C00VG影响影响C C-V V曲线沿电压轴平移曲线沿电压轴平移设Wm=Wsa)面电荷分布b)体电荷分布 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMI

50、S结构结构a)面电荷分布：面电荷分布：假设在假设在SiO2中有一薄层正电荷，中有一薄层正电荷，离离Al表面距离为表面距离为x，单位面积上电量为，单位面积上电量为QAlSiO2p-Si0 xx+-空间电荷层内有电场产生，能带发生弯曲空间电荷层内有电场产生，能带发生弯曲AlP-SiSiO2EFE 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 为了恢复平带状态，在金属板为了恢复平带状态，在金属板(Al)上加上加负电压，使电力线终止于金属表面负电压，使电力线终止于金属表面AlSiO2p-Si0 xx+-VG0 第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构由于半导体表面层电场