7第七章半导体界面问题.pptx

Semiconductor Physics;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;半导体表面和界面结构;理想表面（清洁表面）;真实表面;表面能级密度;;快态能级;Si-SiO2界面的结构; 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; 为了防止和??掉钠离子沾污的影响，除了严格防止离子沾污外，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。; 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QF（单位栅面积固定电荷）值最小。 ;界面陷阱（界面态） ;（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1011~1012/cm2·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≤1010/cm2·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。 ;电离陷阱 ; 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;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。 参见后图，V=0时： 金属功函数为qφm，半导体功函数为qφS，两者的差为零； qχ为电子亲和能； 而qΨF为费米能级与本征费米能级的能级差。 ; 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ΨS。 ; 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Ψ(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，ΨS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