半导体表面特性及MOS电容

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体器件物理,第七章 半导体表面特性及MOS电容,半导体器件物理,第,7,章,半导体表面特性及MOS电容,7.1 半导体表面和界面结构,7.2 表面势,7.3 MOS结构的电容电压特性,7.4 MOS结构的阈值电压, 本章重点,硅,-,二氧化硅界面中存在的,不利因素和消除措施,MOS,结构中,C-V,曲线揭示了,氧化层等器件质量性能,阈值电压表征半导体表面反型状态，,它是,MOS,器件的基础,7.1 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，从而进一步利用半导体表面效应，可用来制造例如,MOS（金属-氧化物-半导体）器件,、CCD（电荷耦合器件）、LED（发光二极管）、LCD（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应器件。,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。,表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形成共价键，但由于表面价键处于所谓“,悬挂键,”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成氧化层。,真实表面,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。,表面存在“悬挂键”，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“表面能级”或“表面态”。,表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准连续。,表面能级密度,单位面积所具有的表面态的数目。cm,-2,表面费米能级,(E,F,),S,载流子填充表面能级的状态。,电子填充带负电；,空穴填充带正电。,内表面,真实表面存在天然氧化层，,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。,外表面,天然氧化层与外界接触的交界面。,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）,需较长时间完成与体内交换电子。（外表面）,慢态能级,S,i,-S,i,O,2,界面的结构,利用热生长或化学汽相淀积人工生长的S,i,O,2,可有厚达几千埃（10,-10,m），外表面能级几乎无法与体内交换电子， S,i,-S,i,O,2,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小。,S,i,O,2,常用作MOS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，钝化保护膜等。,硅-二氧化硅界面，二氧化硅层中，存在一些严重影响器件性能的因素，主要是氧化层中,可动离子,，,固定氧化层电荷,，,界面陷阱,，以及辐射、高温高负偏置应力会引起附加氧化层电荷的增加等。,可动离子,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下，它们会漂移到靠近硅-二氧化硅界面处，在硅的表面处感应出负电荷，对器件的稳定性有很大的影响。其中最主要的是,钠离子,（Na,+,），它在二氧化硅中进行漂移的激活能很低，因此,危害很大,。,为了防止和去掉钠离子沾污的影响，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：,磷稳定化,和,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，将少量氯化合物一起反应生成一种新的材料，它是位于氧化层-硅界面的氯硅氧烷，当钠离子迁移到氧化层-硅界面时会被陷住中和，实现稳定化。,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定正电荷，它们大致分布在近界面100的范围内。对半导体表面的电性质有重要的影响。其,特点,可总结分析如下：,（1）固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关；,（2）固定电荷受不同晶向影响而变化，其密度（111）表面最大，（100）表面最小，两者比例大约为3：1；,（3）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；,（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，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。,固定正电荷,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,退火,，图中可见它的Q,F,（单位栅面积固定电荷）值最小。,界面陷阱（界面态）,界面陷阱一般分布于整个禁带范围内，有的甚至可以高于导带底（E,C,）和低于价带顶（E,V,）。,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键或所谓“悬挂键”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。,（1）界面陷阱密度在（111）表面最大，在（100）表面最小，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，禁带中央为10,11,10,12,/cm,2,eV，氧化温度越高，界面态密度越大；,（3）在较低温度（500）含氢气气氛中退火可以减小界面态密度，禁带中央为10,10,/cm,2,eV，但是在惰性气氛高温（600）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，价带上应该是受主型界面态。,减小界面态的方法除了氢气退火外，还可用金属后退火工艺，在金属后退火温度下活性栅材料（铝）会在氧化层表面与水蒸气反应，释放出氢原子，它会通过二氧化硅层与悬挂键结合，从面减小界面态密度。,界面态能量分布和退火前后界面态密度比较,电离陷阱,固态器件中,辐射损伤,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,：首先在氧化层中产生电子-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S,i,-S,i,O,2,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。,热退火可以很容易地去除如离子注入、电子束蒸发、等离子溅射等工艺过程中的辐射损伤，但制备后的器件中实际恢复是相对有限的，因此更可取的方法是对器件进行“,加固,”。,例如：栅氧化温度低于1000来加固氧化层，使辐射的敏感度降低。铝屏蔽加固可阻止大多数空间带能粒子，并增大MOS场效应管的阈值电压，减弱辐射造成栅电压变化对阈值电压的影响。,7.2 表面势,我们已经对S,i,-S,i,O,2,界面的电荷情况作了详细讨论。再在氧化层上进一步淀积一层金属（通常是铝）就构成所谓,MOS结构,，它是目前制造器件的基本结构形式。,中间绝缘层（S,i,O,2,）将金属板和半导体两个电极隔开,。,绝缘体内无任何电荷且完全不导电，金属与半导体功函数差为零，绝缘体与半导体界面不存在任何界面态。,如图，V=0时，其能带情况，图中金属功函数为q,m,，半导体功函数为q,S,，两者的差为零，q为电子亲和力，而q,F,为费米能级与本征费米能级的能级差。,理想状态,空间电荷区,实际MIS结构就可看作一个平行板电容器。我们从上面图中得知，在不加电压情况下，其能带是平的（平带状况），当两端加一定电压后，金属和半导体两个面将被充电，它们所带电荷符号相反，电荷分布也不一样。金属中电荷分布在一个原子层的厚度范围内；而半导体中，由于自由载流子密度要低得多，电荷必定在一定厚度的表面层内分布，这个带电的表面层称,空间电荷区,。,空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为,表面势,S,。,表面势,MIS结构加正向电压,时，金属侧积累正电荷，在半导体表面一薄层内便形成了一个负的空间电荷区，同时形成了一个方向指向半导体内部的表面电场。也可以说在半导体表面存在一个电势差，各点的静电势(x)逐渐下降。到达电中性后，各点静电势保持相等，如图(a)所示。图中体内的电势取为零，,S,称为表面电势，对于负空间电荷的情况，表面势为正的，E为表面电场。从能带的观点看，表面的能带将发生弯曲。由于电子的电势能为-q(x)，因此能带自半导体内部到表面向下弯曲。图(b)表明负空间电荷区表面能带向下弯曲的情况。此时，表面与体内达到了热平衡，具有共同的费米能级；空间电荷区中的负电荷恰好与金属中的正电荷相等。,MIS结构加反向电压,时，金属侧积累负电荷，半导体表面一层便形成正的空间电荷区。此时，表面势,S,是负的，表面电场由半导体指向外界，表面的能带向上弯曲，如图所示。,表面积累,（对P型半导体而言）,施加一个负电压（V0）于金属平板上时，半导体表面将产生超量的正载流子（空穴），表面势为负，表面能带向上弯曲，如图（a）所示。,半导体表面向上弯曲的能带使得E,i,-E,F,的能级差变大，价带顶逐渐移近甚至超过表面费米能级，进而提高空穴浓度，造成表面空穴堆积，此种情况称为表面积累。与之对应电荷分布如右半部分所示，其中，Q,S,为半导体中每单位面积的正电荷量，而Q,m,为金属中每单位面积的负电荷量，它们的数量是相等的，符号相反。,表面耗尽,施加一个正电压（V0）于金属板上时，表面势为正值，表面处能带向下弯曲，如图（b）所示。,这时越接近表面，价带顶离费米能级越远，价带中空穴浓度随之降低。并且，外加正电压越大，能带向下弯曲越深；越接近表面，空穴浓度比体内低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度，这种情况称表面耗尽。半导体中每单位面积的空间电荷Q,SC,的值为qN,A,W，其中W为表面耗尽区的宽度。,表面反型,施加一个更大正电压时，表面处能带进一步向下弯曲，如图（c）所示。,表面处费米能级位置高于禁带中央能级E,i,，也就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，这意味着表面处性质发生根本性变化，表面电子浓度超过空穴浓度，表面导电类型由空穴型转变成电子型，这种情况称表面反型。反型层X,i,发生在近表面，且厚度很薄，而紧靠其内部还夹着一层耗尽层，厚度比反型层大很多。,对于,N型半导体,，同样可证明：,金属电极加正电压为电子积累；,加小负电压为耗尽状态；,而负电压进一步增大时，表面空穴堆积出现反型层。,7.3 MOS结构的电容-电压特性,金属-氧化物-半导体（MOS）结构中，实际氧化物就是绝缘体，它完全类同于MIS电容，是一种特例，称MOS电容。,由于制造MOS器件必然采用这种结构，因而MOS电容成为集成电路中制造电容首选，而其寄生性同样是引起器件性能下降的原因所在。,所以，对这一结构的研究分析，从来就没有停止过。,理想MOS电容,金属-半导体功函数差为零；,氧化层及界面电荷为零；,界面态为零；,半导体体内电阻为零；,氧化层完全不导电。,能带应是平的；,半导体表面处,S,=0。,电压分布,V,G,一部分降落在氧化层中，另一部分降落在半导体表面（空间电荷区，而体内电压降为零）。,把MOS电容看作为一个平行板电容器，并且由上面电压关系得知，MOS电容实际就是由一个,氧化层电容,和一个,半导体中空间电荷区电容,的,串联结构,组成的。,氧化层单位面积电,容,X,ox,氧化层厚度；,0,真空介电常数；,OX,氧化层相对介电系数。,式（7-2）,半导体微分电容,W 耗尽层宽度；,S,半导体相对介电常数,理想MOS结构总电容,（100）硅，掺杂N,D,=9.110,14,/cm,3,X,ox,=0.119m，,高频（1MHz）和低频（准静态）,条件下实际测得C-V特性曲线。,分情况讨论略。,理想MOS的C-V特性曲线,实际MOS的 C-V特性曲线,1）氧化层内正电荷对C-V特性的影响,氧化层内正电荷（Q,SS,）的作用，可以看作在没有外加电压（V,G,=0）时，相当于施加了一个正电压，如果要消除它的影响，则应当在栅上施加一个负电压（-V,FB,）来抵消，使弯曲的能带重新变为平带，平带时的电容称,平带电容,，用,C,FB,表示，如图所示。,图中可见，,正电荷总是使C-V曲线产生左移影响,。,正电荷引起C-V曲线移动（左图P型衬底，右图N型衬底）,2）金属-半导体功函数的影响,真空能级和费米能级之间的能量差称为材料的,功函数（）,。不同材料，具有不同功函数，因而MOS结构的两个电极（金属、半导体）就会存在,功函数差（,MS,）,。由于铝功函数小于半导体，不管是N型还是P型半导体，功函数差,MS,都是负值；而一般铝和N型半导体的,MS,总比与P型半导体的,MS,来得小。,MS,使C-V曲线产生左移影响,目前更多是用高掺杂的多晶硅（polysilicon）来代替铝制作栅极，N,+,多晶硅效果与铝作用一致，但实际功函数差略大于铝。P,+,多晶硅代替铝，造成功函数差却是正的，对于N型衬底的作用是极为有利的。,3）掺杂浓度、氧化层厚度、温度对C-V特性影响,掺杂浓度提高，高频反型电容会大大增加，耗尽偏置区将大大展宽。曲线上表现为电容下降的耗尽范围从1V左右扩展到2V以上，反型区域最小电容值按（倍/数量级）增加，呈底部抬高之势。而无曲线平移，且积累区电容固定，各掺杂浓度重叠一致。如图所示为不同P型掺杂浓度对MOS电容高频C-V特性影响。,温度,对C-V特性影响如图所示，它对反型偏置电容有中等敏感度，其他区域则基本上不随温度变化。,氧化层厚度,增加也会使耗尽偏置区展宽，并使高频反型电容升高，形式与掺杂一致，主要由于展厚氧化层将分担更大比例电压所致。,7.4 MOS结构的阈值电压,通常把使半导体表面强反型（,s,=2,F,）所需加在金属栅极上的电压定义为,阈值电压,，又可称,开启电压,。,理想MOS结构的阈值电压（P型半导体衬底）,耗尽层中电荷量,式（7-7）,式（7-8）,W 耗尽层宽度,当,s,=2,F,时，W=W,m,式（7-10）,P型半导体衬底理想MOS 结构阈值电压表达式,N型半导体衬底理想MOS 结构阈值电压表达式,【例7-1】,一个衬底N,A,=10,17,cm,-3,的理想MOS结构，设氧化层厚度X,ox,=50 ，试计算单位面积氧化层电容C,OX,和,s,= 2,F,的值。最大耗尽层宽度W,m,和半导体中每单位面积的空间电荷Q,SC,的值。二氧化硅和硅的相对介电常数分别是3.9和11.9。,解,：由式（7-2）得,由式（7-7）得,由式（7-10）得,由式（7-8）得,实际MOS结构的阈值电压（P型半导体衬底）,在实际MOS结构中，由于,固定氧化层正电荷,（Q,SS,）以及,功函数差,的作用都是使平带电压偏移，半导体表面能带向下弯曲，而要克服它们的影响，必须在栅上施加一个V,FB,电压（负的），来拉平下弯能带，而使之成为理想MOS结构，由此可见，,实际MOS结构的阈值电压V,T,比理想MOS结构的阈值电压多出一个V,FB,电压值。,由P型半导体构成的实际MOS结构,由N型半导体构成的实际MOS结构,【例7-2】,对【例7-1】中，假设N,+,多晶硅与衬底的平带电压为-1.10V ，试计算阈值电压。,解,：由例7-1中，可以得到C,OX,6.9010,-7,F/cm,2,，,2,F,0.82V，则,