【正文】 。 39。m i n1 / 20 0 0001( 8 7 1 )2( 1 [ l n ( ) ] )r r s Ar s A iCkT NCq d N n? ? ?????1 / 2 1 / 20 0 0244( ) [ l n ( ) ]( 8 5 7 )rs B rs AdmA A iV k T Nxq N q N n? ? ? ????39。m in0001( 8 7 0 )( 1 )r d mrsCxCd????? 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) d0定 ， NA大 ， Cˊmin/C0值就越大 。 由此可測半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度 。 高頻條件下 ， 理想 MIS結(jié)構(gòu)的歸一化極小電容與氧化層厚度關(guān)系 39。m in01 / 20 0 0012( 1 [ l n( ) ] )r rs Ars A iCCkT Nq d N n? ? ???? 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 這種方法測得的是 絕緣層下半導(dǎo)體表面層中的真實濃度 ， 可用此法 測熱氧化引起硅表面的雜質(zhì)再分布 。 39。m in01 / 20 0 0012( 1 [ l n( ) ] )r rs Ars A iCCkT Nq d N n? ? ???? 高頻條件下 ， 理想 MIS結(jié)構(gòu)的 歸一化極小電容與氧化層厚度關(guān)系 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) ◆ 低頻，弱反型 VG0, VG↑,d↑,Qs:從 V1/2 exp(qVs/2k0T) Cs=dQs/dVs:從 V1/2 exp(qVs/k0T) C↓→↑ DE段 A B C E F C0 CFB C0 D Cmin C’min 低頻 G H 高頻 +V 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) ◆ 深耗盡情況（快速 CV掃描） 從深耗盡到熱平衡反型層所需的熱馳豫時間 τth 為 1100s 反型層的建立不是一個很快的過程 快速直流偏壓掃描導(dǎo)致反型層不能建立，“耗盡層 近似”依然適用， ddmax, Cs∝ V1/2 C↓ 右圖 GI段 A B C E F C0 CFB C0 D Cmin C’min 低頻 G H 高頻 +V 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) MIS結(jié)構(gòu)電容與頻率有關(guān) 不同頻率下 CV特性曲線變化大 。 在開始強反型時 ， 低頻信號測得的電容值接 近絕緣層的電容 C0。 C/C0 VG O 10Hz 102Hz 105Hz 測試頻率對 MIS結(jié)構(gòu) CV特性影響 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) n型半導(dǎo)體的 CV特性 低頻 高頻 0 +V n型半導(dǎo)體 MIS結(jié)構(gòu)的 CV特性 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 結(jié)論 ? 理想 MIS結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體材料與絕緣層材料一定時， CV特性隨 半導(dǎo)體材料摻雜濃度 及 絕緣層厚度 d0而變； ? CV特性與 頻率 有關(guān) 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 實際 MIS結(jié)構(gòu)的 CV特性 VFB 理想 實際 C/C0 0 VG 意義： 分析實驗 CV曲線，可監(jiān)控集成 電路生產(chǎn)制造工藝，以及對 MIS晶體管、 可靠性物理及失效機理作基本分析 功函數(shù) 和 絕緣層電荷 的影響 金屬 絕緣層 半導(dǎo)體 歐姆接觸 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 金 /半功函數(shù)差對 MIS結(jié)構(gòu) CV特性影響 理想 MIS結(jié)構(gòu)的電容 電壓特性 未考慮金 、 半功函數(shù)差及絕緣層中存在電 荷等因素影響 。 這些因素對 MIS結(jié)構(gòu) CV特性會產(chǎn)生顯著影響 。 求 平帶電壓， 思想：串聯(lián)反向電池 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) WsWm， 電子從金屬流向半導(dǎo)體中 。 在 p硅表面層內(nèi)形成帶負(fù)電的空間電荷層 ， 在金 屬表面產(chǎn)生正電荷 。 AlSiO2Si (ptype) Al PSi SiO2 EF E 表面能帶向下彎曲 WAl χ: Ws qVB EFm EC EV EFs Ei E0 SiO2 Al PSi 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 硅內(nèi)部的費米能級相對于金屬的費米能級就要向上提高平衡 半導(dǎo)體中電子的電勢能相對于金屬提高數(shù)值為 m s s mq V W W??( 8 7 2 )smms WWVq???可寫為 Al PSi SiO2 EF E 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 金、半功函數(shù)不同 ，偏壓為零時，半導(dǎo)體表面層 并不處于平帶狀態(tài) 。 Al PSi SiO2 EF E 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 要恢復(fù)平帶狀態(tài) ， 須在金屬鋁與半導(dǎo)體硅間加一定負(fù)電壓， 抵消兩者功函數(shù)不同引起的電場和能帶彎曲 。 恢復(fù)平帶狀態(tài)所需加的電壓叫 平帶電壓 ， 以 VFB表示 EC EV Ei EF Al PSi SiO2 qVFB Wm Ws ( 8 7 3 )msF B m s WWVV q?? ? ? ?平帶電壓 ( 8 7 2 )smms WWVq??? 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 平帶電壓 CV曲線整體沿電壓軸負(fù)方向平移了一段距離 VFB， 形狀不變 ( 8 7 3 )msF B m s WWVV q?? ? ? ?理想 功函數(shù) C/C0 0 VG VFB 通過與理想 CV比較， CFB VFB Vms Wm 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 絕緣層中電荷對 MIS結(jié)構(gòu) CV特性的影響 VFB 理想 絕緣層電荷 C/C0 0 VG 影響 CV曲線沿電壓軸平移 設(shè) Wm=Ws a)面電荷分布 b)體電荷分布 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) a) 面電荷分布： 假設(shè)在 SiO2中有一薄層正電荷，離 Al表面距離為 x，單位面積上電量為 Q Al SiO2 pSi 0 x x + + + + + 空間電荷層內(nèi)有電場產(chǎn)生，能帶發(fā)生彎曲 Al PSi SiO2 EF E 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，在金屬板 (Al)上加負(fù)電壓，使電力線終止于金屬表面 Al SiO2 pSi 0 x x + + + + + VG0 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 由于半導(dǎo)體表面層電場完全被金屬表面負(fù)電荷產(chǎn)生電場所抵消，表面層能帶彎曲消失。 電場集中在金屬與薄層電荷之間 VFB=∣ E│ x， ∣ E∣ 金屬與薄層電荷間電場強度。 Al SiO2 pSi 0 x x + + + + + VG0 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 由高斯定理 ， 金屬與薄層電荷之間的電位移 D等于電荷面密度 Q， 而 D= εr0 ε0 ∣ E∣ ， 有： Q=εr0 ε0 ∣ E∣ （ 874） 把上式代入式 V FB=∣ E∣ x中 ， 則得 00( 8 7 5 )FBrxQV?????Al SiO2 pSi 0 x x + + + + + VG0 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 絕緣層單位面積電容 εr0ε0=C0d0， 代入上式 ， 得 薄層電荷靠近半導(dǎo)體 （ x=d0） ， 上式有最大值 ， 即 貼近金屬表面時 （ x=0） ,VFB=0。 00( 8 76 )FB xQV dC???0( 8 7 7 )FB QV C???Al SiO2 pSi 0 x x + + + + + VG0 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 結(jié)論： 絕緣層中電荷越接近半導(dǎo)體表面 ， 對 CV 特性的影響越大 ； 位于金屬與絕緣層界面處時 ， 對 CV特性 沒有影響 。 Al SiO2 pSi 0 x x + + + + + VG0 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) b) 體電荷分布 絕緣層中若存在非薄層電荷 ， 而是某種體電荷分布 。 可分成無數(shù)層薄層電荷 ， 由積分求出平帶電壓 。 00( 8 76 )FB xQV dC??? 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 設(shè)電荷密度為 ?(x)， dx薄層內(nèi) ， 單位面積 上 電荷 ρ(x)dx。 抵消這薄層電荷影響所加的平帶電壓為 00() ( 8 7 8 )FBx x d xdVdC????+ + + + + Al SiO2 pSi 0 dx x VG0 x 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 為抵消整個絕緣層內(nèi)電荷影響所需加的平帶電壓 VFB為： 00() ( 8 7 8 )FBx x d xdVdC????00001 ( ) d x ( 8 7 9 )dFBxxVCd?? ? ??00( 8 76 )FB xQV dC???+ + + + + Al SiO2 pSi 0 dx x VG0 x 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 所以，當(dāng) MIS結(jié)構(gòu)的絕緣層中存在體電荷時，可引起其 CV曲線沿電壓軸平移 VFB。 表示平帶電壓 VFB與絕緣層中電荷的一般關(guān)系 . + + + + + Al SiO2 pSi 0 dx x VG0 x 00001 ( ) d x ( 8 7 9 )dFBxxVCd?? ? ?? 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 000 01 ( ) ( 8 8 0 )dfF B m sQ xxV V d xC C d?? ? ? ? ??功函數(shù)和絕緣層電荷對MIS結(jié)構(gòu) CV特性的影響 絕緣層中的電荷： Qf(c/cm2)（ 面電荷分布 ） Qm和 Qox（ c/cm3）（ 體電荷分布） VFB1 理想 絕緣層電荷 C/C0 0 VG 功函數(shù) VFB2 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 溫 偏 (BT)實驗：測量 MOS工藝中鈉離子沾污。 V=10V 10V 溫度： 150176。 C ∽ 250176。 C 30min 外電場和溫度場下 Na+可動 Al SiO2 Si 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 硅 二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì) 電荷分類： 1) 可動離子 2) 固定電荷 3) 界面態(tài) 4) 電離陷阱電荷 + + + + + + + ■ ■ ■ ■ ■ ■ M I (SiO2) S Na Na Na Na Na Na Na Na Na 可動離子 + 電離陷阱 ■ 固定電荷 界面態(tài) 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS結(jié)構(gòu) 二氧化硅層中的可動離子 Na+， K+、 H+等正離子 。 在一定溫度和偏壓條件下 ， 可在二氧化硅層中 遷移 ， 對器件的穩(wěn)定性影響最大 。 + + + + + + + ■