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IC 半导体器件物理第三章半导体的表面特性 第一页，共37页 第3章 半导体的表面特性 本章要点 半导体的表面与Si-SiO2系统的特性 表面空间电荷区的状态和表面势的概念 MOS结构的阈值电压和MOS结构的应用 MOS结构的C-V特性 金属与半导体接触、肖特基势垒二极管（SBD） 第二页，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。 第三页，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： ①绝缘介质层，用于分隔金属膜及其他导电材料； ②掩蔽层，用于杂质元素的选择性掺杂； ③钝化，保护器件和晶圆免受外来物质与离子的沾污。 第四页，共37页 Si衬底 SiO2 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： ① 可动离子，以钠离子（Na+)为主要对象； ② 固定电荷，通常是一些过剩的硅离子Si+； ③ 辐射电离陷阱； ④ 界面态，即前述的表面态。 第五页，共37页 3.1 半导体表面与Si-SiO2系统 界面态 Si-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/cm2·eV以下。 第六页，共37页 MOS晶体管 电极或金属互连线 SiO2层 源、漏区或衬底Si 3.2 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①显示了它构成MOS晶体管的核心结构；②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。 第七页，共37页 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 多子积累状态； c.VG0V 耗尽状态； d.VG0V 反型或强反型状态。 理想MOS结构的条件： ① Si-SiO2系统中不存在前述的三种性质的电荷及界面态； ②金属栅与衬底半导体材料之间的功函数相等。 第八页，共37页 3.2 表面空间电荷区与表面势 a. VG=0V 平带状态 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ρ(x)=0,半导体表面能带是平直的。 第九页，共37页 电荷分布 空穴 3.2 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φs0，表面处能带将向上弯曲，电荷分布见图。 第十页，共37页 耗尽层 电荷分布 3.2 表面空间电荷区与表面势 c. VG0V 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φs0，表面处能带向下弯曲，电荷分布见图。 第十一页，共37页 电子反型层 电荷分布 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φS满足φS2φFP，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。 第十二页，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——φF Si材料费米势φF的定义： 对P-Si和N-Si材料，它们的费米势φFP和φFN分别为： 室温下：kT/q=0.026V 第十三页，共37页 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φS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 其中 可以得到如下表达式 第十四页，共37页 3.2 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