分析快表面态及其对MOS场效应管器件电特性的影响

快表面态

在硅-二氧化硅界面上，能量处在硅能带间隙内的表面态通常称为“快表面态”，因为这些状态内的电荷可与硅衬底容易而迅速地进行交换。当在MOS电容器上外加一个电压时，外加栅-衬电势的任何变化可使表面能带弯曲程度相对于硅内的费密能级发生如图6.1所示的变化。MOS管-快表面态。因此，如果在界面存在着快表面态，其占据的概率的变化将随外加偏压而变。

考虑如图6.1（a）所示的情况，即能量位于或接近带隙中央的快表面态，当用负电压加在p型硅衬底作成的MOS电容器的栅极时，硅就形成积累，表面能带向上弯曲，费密能级相对于状态能级位置使其占据的概率比较小。然而，如在结构的栅极上外加-正电压，硅表面将变为反型。费密能级现在的位置使得快表面态捕获电子的概率极高，如图6.1（b）所示。

因此，不难看出，在界面上快表面态内的电荷数量随表面电势而变，必然也将随外加栅压而变化。在表面状态中的总电荷量也将强烈地依赖于其在整个带隙内的能量分布，而和受主或施主的类型无关。

尼科利安（Nicollian）和戈茨伯格（Goetzberger）以及格雷（Gray）和布朗（Brown）^2，3提出的数据表明：在硅能隙内快表面状态的分布在能带两个边缘附近往往显示峰值，而在禁带区域中央却有一个明显而均匀的极小值。这种情况由图6.2即可看出。MOS管-快表面态。该图数据乃是用一个具有二氧化硅栅极绝缘物的MOS电容结构取得，其绝缘物是在1200℃的干氧环境中对硅进行热氧化形成的4。

一般来说，快表面态的起源，如同固定正界面电荷密度Qss的情况一样，往往同硅晶格在硅-二氧化硅界面附近的周期性中断有关。特别是，有人提出，硅的热氧化过程会在二氧化硅内紧接界面处产生过量的硅离子，结果能够观察到数量与表面电势无关的正电荷密度（Qss）。此外并提出，这些硅离子进入氧化物会在硅表面或表面附近形成空位，而这种情况又导致快表面态密度的增加，并必然导致表面复合率的增加⁵。

众所周知，如果二氧化硅上面直接覆盖着铝栅电极，采用低温惰性环境退火工艺，硅-二氧化硅界面的快表面态密度可以下降到一个极低的水平⁴。铝栅MOS结构在低温惰性气体中退火快表面态密度降低，是因为退火过程中氧化物上残留的微量水蒸汽与铝电极反应形成一种活泼的氢从而消灭了这些快表面态。MOS管-快表面态。当结构的栅极不用铝制作时（例如硅栅器件）。在400到500℃的温度范围内，用纯氢或混合（氮氢）气体退火，能够有效地降低快表面态密度^4，6。在干氧中形成的氧化物，其特征是快表面态密度比较高，而在氧化过程中，即使微量水份也能使快态密度降到远低于10¹⁰/厘米²的水平。虽然由于氧化时存在着水蒸汽而使快表面态密度保持较低的水平，但如在惰性环境中退火而使水份得到处理，则快表面态密度仍将大大增加⁷。在氧化或惰性环境中退火形成快表面态并不重要。因为如前讨论的，不论是铝栅或是硅栅结构，在最后一道加工工序中，这些状态很容易被消灭。

格雷（Gray）和布朗（Brown）²发现，在所有其它材料和工艺条件都相同的条件下，观测到的快表面态密度在硅（111）晶向上最大，而在（100）晶向上最小。（110）晶向上的观测值往往介于二者之间。值得注意的是，单位面积固定正界面电荷Qss具有同样的特性。

亦即Qss的观测值随硅衬底晶向而变，并按（111）>（110）>（100）顺序递减5。虽然固定界面电荷密度和快表面态密度在许多方面作用十分相似，但是必须记住它们显然是不同的量，其各自的密度可以通过合理的改变工艺而独立地变化⁷。

一般来说，快表面态的存在对于MOS场效应晶体管的电特性质有恶化的影响，只要可能就应将快表面态密度降低到最低水平。因为它们容易同硅衬底进行电荷交换，快表面态的作用如同表面复合中心一样。人们发现位于能隙中央附近的快态主要承担表面复合的作用，并使在漏结上观察到泄漏电流大大的增加⁷。MOS管-快表面态。而且，硅-二氧化硅界面上的快态又起到散射中心的作用，因此，会降低沟道有效载流子的迁移率。它们还会把一部分本来有助于提高沟道导电性能的载流子束缚起来而使观测的场效应迁移率减小。同样，这种效应也能使观测的阀电压增加。也已证明快表面态是在MOS器件中经常发生的低频（1/f）噪声的原因。快表面态对于MOS电容器电容-电压特性的影响已在3.3节中进行了讨论。//duode-tex.com/article/detail/2456.html

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