第7章半导体表面与MIS结构2011.

2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平1第七章半导体表面与MIS结构7.1半导体表面与表面态7.2表面电场效应与MIS结构7.3MIS结构的电容电压特性7.4表面电导与表面迁移率2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平2第七章半导体表面与MIS结构7.1半导体表面与表面态7.1.1理想一维晶体模型及其解7.1.2实际半导体表面7.1.3Si-SiO2系统表面态会加速非平衡载流子的复合，会改变半导体的功函数,从而影响材料和金属-半导体接触的性能。但另一方面我们也看到，外加电压能通过金属-半导体接触改变半导体表面的电场，使表面附近的能带发生不同程度的弯曲。以后我们会知道，利用这样的表面电场效应可以做成各种各样的器件。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平37.1.1理想一维晶体模型及其解由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏时,则在禁带中产生附加能级。由于晶格缺陷或吸附原子等原因也可以引起表面态,这种表面态与表面处理工艺密切相关。表面态对半导体的各种物理过程有着重要影响,特别是对许多半导体器件的性能影响更大。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平41、理想一维晶体表面模型及其解x＝0处为晶体表面；x≥0的区域为晶体内部，其中有一个以a为周期随x变化的周期势场V(x)；x≤0的区域表示晶体之外，其中的势能V0为一常数，这相当于一个深度为V0的势阱。一维半无限晶体的周期性势场模型)0(20202xEVdxdm)0()(2202xExVdxdm2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平5对能量E＜V0的电子)0(20202xEVdxdm)0()(2202xExVdxdmV(x)作为一个周期势场，满足V(x+a)=V(x)的关系。])(2exp[)(001xEVmAx1.在晶体外部，电子波函数集中在x＝0的表面处，随着离开表面距离的增加，波函数按照指数形式衰减。xkxkikeexuAx2212)()(kikk2.在晶体内部,一维半无限周期场中存在波数k取复数的电子状态，其波函数在x=0的两边按指数衰减。表明占据这一附加能级的电子主要集中在x＝0处，即电子被局限在表面上。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平6表面态表面能级在一维半无限周期场中存在波数k取复数的电子状态，其波函数在x=0的两边按指数衰减。这表明占据这一附加能级的电子主要集中在x＝0处，即电子被局限在表面上。因此，这种电子状态被称作表面态，对应的能级称为表面能级，亦称达姆能级。表面态的存在是肖克莱等首从实验上发现的。晶体所固有的的三维平移对称性在表面层中受到破坏，现在许多实验观察到在超高真空下共价半导体的表面发生再构现象，形成新的具有沿表面二维平移对称性的原子排列结构。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平7达姆表面能级1932年，达姆首先提出：晶体自由表面的存在使周期性势场在表面处发生中断,引起附加能级。这种能级称为达姆表面能级。达姆证明了半无限Kronig-Penney模型在一定条件下,每个表面原子在禁带中对应一个表面能级。在三维晶体中仍如此,即每个表面原子对应禁带中一个表面能级,这些表面能级组成表面能带。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平8悬挂键与表面态表面态的概念还可以从化学键方面来说明。每个表面原子由于晶格的突然终止而存在未饱和的悬挂键，与之对应的能态就是表面态。由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴，从而使表面带电。这些带电电荷可以排斥表面层中相同的电荷使之成为耗尽层甚至变成反型层。2020年2月16日星期日2三维理想晶体的表面态理想模型的实际意义在于证明了三维理想晶体的表面上每个原子都会在禁带中产生一个附加能级大多数结晶半导体的原子密度在1022cm-3量级.按此推算,单位面积表面的表面态数应在1015量级.数目如此巨大的表面能级实际已构成了一个能带。表面态本质上与表面原子的未饱和键,即悬挂键有关.表面取向不同，其悬挂键的密度亦有所不同。表面态亦有施主和受主之分。通常将空态呈中性而被电子占据后带负电的表面态称为受主型表面态;将空态带正电而被电子占据后呈中性的表面态称为施主型表面态表面态能够与体内交换电子或空穴,引起半导体表面能带的弯曲,产生耗尽层甚至反型层.当外加偏压使半导体表面电势发生变化时,表面态中的电荷分布也随之变化,即表面态随外加偏压的变化而充放电2020年2月16日星期日7.1.2实际半导体表面“理想表面”就是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且不附着任何原子或分子。这种理想表面实际上并不存在。表面重构理想表面的悬键密度很高，而悬键的形成能又比较大(对Si约为2eV)。所以,从能量的角度看,表面原子倾向于通过应变,即通过原子排列的变通尽可能使悬键密度降低。表面物理学中将这种情况称为表面重构。2020年2月16日星期日Si晶体的重构表面(a)和无重构表面(b)模型受降低表面自由能这个自然法则的驱使，表面重构使硅晶体实际表面的原子排列比理想表面复杂得多，但带悬键的原子密度大为降低;吸附原子或分子也是自由表面为了降低悬键密度、降低表面能量的一种本能2020年2月16日星期日7.1.3Si-SiO2系统除了表面钝化常常在Si器件表面生长或淀积一层SiO2之外,作为产生场效应的一个重要手段，Si-SiO2系统还是MOS(金属-氧化物-半导体)型硅场效应器件的主要构成元素。一、Si-SiO2系统中的电荷和能量状态二、Si-SiO2系统的优化处理2020年2月16日星期日一、Si-SiO2系统中的电荷和能量状态+++++M+可动离子，固定电荷界面态，陷阱电荷OS在Si-SiO2系统中存在着以下四种基本形式的电荷或能量状态：1、SiO2中的可动离子包括Na+、K+、H+等2、SiO2层中的固定表面电荷3、Si-SiO2界面中的界面态4、SiO2中的陷阱电荷Si-SiO2系统中的能态和电荷2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平141SiO2层中的可动离子SiO2中的可动离子包括Na+、K+、H+等，其中Na+的存在最普遍，对器件性能的危害也最大。Na+在SiO2中的扩散系数远高于其他离子，在一定的温度和偏压下可在SiO2层中移动。Na+普遍存在于一般环境中，除工艺中使用的化学试剂、器皿和高温器材外，人体是最主要的Na+源。所以，在未经严格控制的工艺中生成的SiO2，其Na+的密度可达1012cm-2以上。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平152SiO2层中的固定表面电荷MOS器件中的Si-SiO2系统通常采用热氧化法直接由Si表面生成。氧化过程中，O原子通过高温扩散由表及里逐渐与Si原子成键，将SiO-Si界面向里推进。由于Si的配位数是4，在SiO2-Si界面附近必然会存在一些具有未饱和键的Si原子。这些Si原子被剩余的共价键固定在晶格中，在适当的条件下很容易失去其未成键电子而电离，成为固定正电荷。硅的氧化固然能使硅表面的一些悬键饱和，但在SiO2-Si界面仍会不同程度地产生由硅离子形成固定正电荷。这些固定电荷一般位于SiO2中距SiO2-Si界面20nm左右的范围内，不能与界面以外的Si层交换电荷，也不容易漂移。固定电荷密度对氧化条件、退火条件和Si单晶的晶向十分敏感，而与氧化层厚度、Si的杂质类型和浓度以及表面势等关系不大。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平16氧化机理氧化的过程是，在高温下,Si原子首先从正常的晶格位置上挣脱出来,同O2发生反应产生SiO2。继续氧化时，O2就必须穿过先前已形成的SiO2,再进入SiO2与Si的界面,与游离的Si离子反应，形成新的SiO2。当一批游离出来的Si离子在SiO2与Si的界面等候与O2发生反应时,若氧化过程突然终止(如氧化结束),O2停止供应.这时炉内的温度依然很高,那些挣脱晶格束缚的Si离子依然源源不断地游离出来.随着温度的降低,这些多余的Si离子失去了返回的能量,留在SiO2与Si的界面,充当了固定正电荷的角色.2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平173硅-二氧化硅界面处的快界面态Si-SiO2界面上未饱和Si原子等晶格缺陷和机械加工损伤等直接生成了Si禁带中准连续分布的深能级，因其位于Si-SiO2界面而称为界面态。当外加电压导致Si体内载流子分布的改变时，这些界面态能与Si快速交换载流子，因而是所谓“快态”。称其为“快态”是为了与存在于SiO2外表面的电子态相区别。这些电子态由吸附于SiO2外表面的分子或原子引入，与Si交换载流子时，因受SiO2层的阻隔，需要很长时间。也就是说，SiO2与其氛围之间的界面态是“慢态”。2020年2月16日星期日西安理工大学电子工程系马剑平184二氧化硅中的陷阱电荷由热氧化生成的SiO2是一种能隙很宽（8.1eV）的无定形（玻璃）材料，其禁带中分布着较高密度的陷阱能级。其中的空穴陷阱捕获空穴后带正电，释放空穴后保持中性状态。当X射线、γ射线或高能电子射线等在SiO2中激发出自由的电子-空穴对时，如果不存在电场，这些电子-空穴对会很快通过复合而消失，不会产生净电荷；如果这时恰好存在电场，电子因在SiO2中有较高迁移率而被电场扫出SiO2层，为金属电极或Si层吸收；空穴则因迁移率太低而被陷阱俘获，从而在SiO2中产生正的空间电荷。由于这些电荷的存在离不开陷阱，因而称为陷阱电荷。2020年2月16日星期日二、Si-SiO2系统的优化处理Si-SiO2系统中的界面态和各种电荷对其性能存在很明显的消极影响，需要尽可能降低界面态的密度和单位面积Si-SiO2系统中各种电荷的数量。工程中通常采取的优化Si-SiO2系统性质的方法1.正确选择Si片的晶向2.采取“吸杂”措施3.适当提高干氧氧化工艺的比重4.退火处理2020年2月16日星期日1、正确选择Si片的晶向1、正确选择Si片的晶向Si-SiO2界面态(快态)和固定电荷的密度都与Si晶体的取向有关,而且都按(111)、(110)、(100)次序递减，即与原子面密度的大小关系一致。因此，为了降低Si-SiO2界面态和界面附近固定电荷的密度，在MOS器件和集成电路的生产中常选用[100]晶向的Si单晶为原料。2020年2月16日星期日2、采取“吸杂”措施为了降低SiO2层中可动离子的影响，除了尽一切可能严格控制、努力避免器件制造工艺过程中的Na+玷污之外，对已经存在于SiO2中的Na+应设法减少其可动性。采用所谓“磷处理”工艺，在SiO2外表面生长薄薄一层磷硅玻璃吸收Na+，是一种经过实践检验的行之有效的方法。磷硅玻璃具有吸收SiO2中的Na+并阻挡外界Na+玷污SiO2的双重作用。此外，Si3N4具有比磷硅玻璃更强的阻挡外来Na+和吸收SiO2中已有Na+的作用。在SiO2-Si系统之外再淀积一层Si3N4，做成Si3N4-SiO2-Si三层结构，比直接用Si3N4替换SiO2效果要好，因为Si3N4-Si界面的态密度更高。2020年2月16日星期日3、适当提高干氧氧化工艺的比重氧化过程中，在氧气进入高温氧化炉前令其从纯水中穿过的做法叫湿氧氧化，令其从分子筛经过而脱水的做法叫干氧氧化。湿氧氧化的氧化速率高，但生长的SiO2致密性差；干氧氧化的氧化速率较低但生长的SiO2致密性好，固定电荷密度低。工程上常常采取干、湿氧化交替进行的方法兼顾氧化速率和氧化膜的质量。因此，适当增加干氧氧化的时间比例、降低SiO2的生长速率，可以降低固定电荷密度。2020年2月16日星期日4、退火处理将已经形成的Si-SiO2系统在400450℃的氢或含氢氮气氛中退火，用H原子去饱和Si-SiO2界面中的悬挂键；或在较高温度下的惰性气体中退火，通过硅原子位置的微调使相邻的悬挂键相互饱和，都可使界面态和