集成電路中常用的有源器件有 npn和pnp雙極型晶體管、NMOS和 PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管、肖特基金屬柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管、pn結(jié)二極管和金屬半導(dǎo)體肖特基接觸二極管等。雖然這些器件的具體結(jié)構(gòu)、所用材料、制造工藝和電學(xué)特性十分不同，但在它們工作原理的深處有一個(gè)共同的基礎(chǔ)物理效應(yīng)，那就是界面效應(yīng)。圖3.1為各種半導(dǎo)體微電子器件中常用的3種基本結(jié)構(gòu)金屬半導(dǎo)體接觸、pn結(jié)、金屬/介質(zhì)/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)界面示意圖。

所有電子器件的功能,都是由電子運(yùn)動(dòng)變化實(shí)現(xiàn)的。如同其他物質(zhì)運(yùn)動(dòng)一樣，可以想象，電子在均勻金屬與半導(dǎo)體等固體材料中的運(yùn)動(dòng)，通常也是均勻運(yùn)動(dòng)。但在界面及其附近區(qū)域，如金屬與半導(dǎo)體界面、p型與n型半導(dǎo)體界面、金屬與介質(zhì)界面、介質(zhì)與半導(dǎo)體界面等，電子運(yùn)動(dòng)將會(huì)發(fā)生顯著變化。正是由于這些不同物質(zhì)在界面處的不連續(xù)性，可以形成不同結(jié)構(gòu)、不同功能的電子器件。

界面兩側(cè)電子的能量狀態(tài)不同，必然導(dǎo)致界面兩側(cè)電子交換、空間電荷區(qū)產(chǎn)生、界面勢(shì)壘形成等物理效應(yīng)。

在半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展中,最重要的界面物理效應(yīng)是金屬半導(dǎo)體肖特基接觸勢(shì)壘效應(yīng)、Pn結(jié)勢(shì)全效應(yīng)、金屬/介質(zhì)/半導(dǎo)體表面場(chǎng)效應(yīng)。分析這些不同界面效應(yīng)中的物理機(jī)制與電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可以看到它們既有各自不同特點(diǎn),又有某些共同之處。正是在對(duì)半導(dǎo)體各種界面效應(yīng)深入研究過(guò)程中,人們逐步發(fā)明和發(fā)展了多種多樣的二極管、晶體管等半導(dǎo)體分立器件,以及功能各異、集成度越來(lái)越高、速度越來(lái)越快的集成電路。以下各節(jié)將對(duì)這些界面效應(yīng)及其相應(yīng)半導(dǎo)體器件的原理、特性和應(yīng)用,分別進(jìn)行討論與分析。

金屬半導(dǎo)體接觸(可簡(jiǎn)稱金半接觸)研究歷史悠久,金半接觸二極管是最先獲得應(yīng)用的半導(dǎo)體器件[1]。早在1874年F.Braun在研究金屬(水銀)與晶態(tài)半導(dǎo)體(硫化銅、硫化鐵)接觸的電學(xué)特性時(shí),就發(fā)現(xiàn)了整流效應(yīng),即電流大小依賴于外加電壓極性。20世紀(jì)初已開(kāi)始研制出各種金屬半導(dǎo)體點(diǎn)接觸二極管整流器。20年代金半點(diǎn)接觸二極管就已經(jīng)作為檢波器件,應(yīng)用于無(wú)線電廣播接收機(jī)。隨著鍺和硅單晶材料技術(shù)進(jìn)步，出現(xiàn)了金屬與鍺、硅的點(diǎn)接觸二極管。在第二次世界大戰(zhàn)期間,金半點(diǎn)接觸二極管作為微波信號(hào)檢波器在雷達(dá)探測(cè)技術(shù)中得到應(yīng)用。在這些早期半導(dǎo)體器件發(fā)展過(guò)程中，一些物理學(xué)家研究和提出了金屬半導(dǎo)體接觸整流效應(yīng)理論模型。在固體能帶理論基礎(chǔ)上，德國(guó)物理學(xué)家肖特基于1938年提出,金半接觸的非對(duì)稱導(dǎo)電機(jī)制在于界面附近空間電荷形成的電子勢(shì)壘。由此人們把這種電子勢(shì)壘稱為肖特基勢(shì)壘,把具有單向?qū)щ娞匦缘慕饘侔雽?dǎo)體接觸稱為肖特基接觸[2]。

由肖特基接觸勢(shì)壘構(gòu)成的器件，在硅和化合物半導(dǎo)體器件技術(shù)中有許多應(yīng)用。但在集成電路等各種器件中應(yīng)用更為普遍的,是用AL、Cu、W、Ti等金屬形成的具有低電阻雙向?qū)щ姷臍W姆接觸。有多種方法和技術(shù)可以形成金屬半導(dǎo)體接觸。例如,在硅等半導(dǎo)體的清潔表面上濺射或蒸發(fā)淀積一層金屬,即可形成金半接觸。不僅各種金屬與半導(dǎo)體可以形成性能不同的金半接觸,許多導(dǎo)電金屬化合物,如金屬硅化物、金屬氮化物,也可與半導(dǎo)體形成歐姆接觸或肖特基接觸。特別需要強(qiáng)調(diào)的是,在各種分立器件和集成電路中,PtSi、WSiz、TiSiz、CoSiz、NiSi等金屬硅化物,是形成優(yōu)良?xì)W姆接觸和肖特基接觸的重要材料[3]。下面討論分析的有關(guān)金屬和金半接觸的各種特性,都包括金屬化合物。

3.2.1 金屬的電子功函數(shù)

為什么金半接觸界面上會(huì)產(chǎn)生肖特基勢(shì)壘呢?最基本且較易理解的原因,是由于金屬和半導(dǎo)體內(nèi)的電子能量狀態(tài)和功函數(shù)不同。圖3.2顯示相互獨(dú)立的金屬和半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)與電子功函數(shù)的含義。金屬的價(jià)電子能帶通常為半滿的導(dǎo)帶，電子位于費(fèi)米能級(jí)(EEm)附近及以下。金屬價(jià)電子相對(duì)9X一個(gè)個(gè)金屬原子來(lái)說(shuō),它們是"自由"的,可以在整個(gè)金屬晶體各個(gè)原子之間作共有化運(yùn)動(dòng),在外加電場(chǎng)下可輸運(yùn)電流。但相對(duì)真空中的自由電子來(lái)說(shuō),它們又是束縛電子，被整個(gè)金屬所束縛,即束縛在金屬晶體的勢(shì)阱中。金屬電子如果要脫離金屬的束縛成為自由電子,應(yīng)具有足夠的能量,必須做功才能逃逸出金屬到達(dá)真空。如果電子速度為零的真空電子能量狀態(tài)定義為真空能級(jí)(E。)則金屬費(fèi)米能級(jí)Erm與電子真空能級(jí)E。之間的勢(shì)能差值,就被稱為金屬的電子功函數(shù),有時(shí)也被稱為電子脫出功,常用Wm表示，

其中,q為電子電荷,各種金屬清潔表面的功函數(shù)在2~6eV范圍。例如,鋁的功函數(shù)為4.25eV,即金屬鋁表面電子如果具有等于或超過(guò)4.25eV的能量,就可能發(fā)射至真空,成為自由電子。真空能級(jí)E。以上自由電子能量狀態(tài)是連續(xù)的。實(shí)際測(cè)量得到的金屬功函數(shù)數(shù)值與價(jià)電子狀態(tài)、晶向、表面清潔度等因素有關(guān)。圖3.3顯示在真空中清潔表面上測(cè)得的各種金屬電子功函數(shù)與原子序數(shù)存在周期性變化關(guān)系。

電子功函數(shù)的概念對(duì)于許多技術(shù)應(yīng)用很重要。例如,陰極的電子發(fā)射電流大小取決于功函數(shù)值,熱電子發(fā)射電流密度j隨溫度的變化遵循與功函數(shù)有關(guān)的指數(shù)規(guī)律:

因此,總是選擇功函數(shù)小的材料作為顯像管、電子顯微鏡等真空電子器件中的陰極。為提高陰極電子發(fā)射效率，還常在陰極表面淀積可降低功函數(shù)的涂層。

3.2.2 半導(dǎo)體的電子功函數(shù)與親合能

如圖3.2所示，半導(dǎo)體的功函數(shù)W。應(yīng)定義為真空能級(jí)與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)Ee之差，

半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)E。通常位于禁帶中間,而且隨雜質(zhì)種類及濃度變化,因此，半導(dǎo)體材料的功函數(shù)也隨其摻雜元素及濃度變化。但一種特定半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底(Ec)是不變的,它與真空能級(jí)E0的能量差為一固定值,稱為半導(dǎo)體的電子親合能,表示為qX,即

3.2.3金屬/半導(dǎo)體接觸電勢(shì)差與肖特基勢(shì)壘

兩種不同材料的功函數(shù)一般是不相等的,當(dāng)它們接觸時(shí)，界面上就會(huì)發(fā)生電子交換,形成接觸電勢(shì)差。金屬和半導(dǎo)體兩者緊密接觸后,通過(guò)電子交換,就會(huì)在界面形成金半接觸勢(shì)壘。以圖3.2所示金屬和半導(dǎo)體兩種材料為例,說(shuō)明金半接觸勢(shì)壘的形成原因。圖3.2所示半導(dǎo)體為n型,其功函數(shù)小于金屬,半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子能量高于金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能量。

圖3.4顯示金屬和半導(dǎo)體接觸后的能帶變化和肖特基勢(shì)壘形成,下面分析其原因。當(dāng)兩者接觸形成統(tǒng)一電子體系時(shí)，界面兩側(cè)的電子就可能越過(guò)界面,進(jìn)入另一側(cè)。按照電子具有占據(jù)盡量低能態(tài)的規(guī)律,在Wm>W。條件下，半導(dǎo)體電子越過(guò)界面進(jìn)入金屬的幾率將高于相反方向的電子運(yùn)動(dòng)。這將破壞接觸前各自的電中性狀態(tài)，導(dǎo)致金屬表面呈現(xiàn)負(fù)電荷(Qm),半導(dǎo)體一側(cè)呈現(xiàn)正電荷(Q。)。界面兩側(cè)所帶電荷極性相反、數(shù)量相等,整個(gè)系統(tǒng)仍保持電中性,即Qm+Q。=0。由于金屬的能態(tài)密度高,可以認(rèn)為由半導(dǎo)體過(guò)來(lái)的電子完全集中在金屬表面。在n型半導(dǎo)體一側(cè)則顯著不同,界面附近的正電荷通常是由電子離開(kāi)后,局域化的電離施主雜質(zhì)構(gòu)成的。由于半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度的限制，與金屬表面電子負(fù)電荷相等數(shù)量的電離施主正電荷,將分布在界面附近一定區(qū)域內(nèi)，即在界面半導(dǎo)體一側(cè)形成空間電荷區(qū)。這個(gè)區(qū)域也常稱為耗盡區(qū),因?yàn)槠渲须娮訚舛冗h(yuǎn)低于離化施主濃度，即電子被耗盡。

在圖3.4的例子中，界面電子交換使金屬一側(cè)電勢(shì)降低、半導(dǎo)體一側(cè)電勢(shì)升高,也就是形成了接觸電勢(shì)差,而且電勢(shì)的變化主要發(fā)生在半導(dǎo)體空間電荷區(qū)內(nèi)。電勢(shì)變化將完全補(bǔ)償原來(lái)費(fèi)米能級(jí)的差異，使金屬和半導(dǎo)體兩側(cè)達(dá)到平衡狀態(tài)，電子凈流動(dòng)停止，形成統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF。界面兩側(cè)電子交換形成的接觸電勢(shì)差，由兩者與真空能級(jí)E。的差值決定，即取決于金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)差值，

從上面的討論可以看到,金屬和半導(dǎo)體接觸界面是一個(gè)與兩側(cè)都不同的特殊區(qū)域,兩側(cè)的物理性質(zhì)差別導(dǎo)致形成電子勢(shì)壘。正是這種勢(shì)壘將控制金半接觸的導(dǎo)電性能，使其具有一極管整流特性。金半接觸勢(shì)壘對(duì)導(dǎo)電性能的影響取決于勢(shì)壘的高度及寬度。金屬與n型半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度，由前者的功函數(shù)和后者的電子親合能之差值決定,如(3.7)式所示。柵全寬度則取決于半導(dǎo)體耗盡層寬度，由摻雜濃度決定。如果勢(shì)壘高度很低，與熱運(yùn)動(dòng)能kT相近,則界面兩側(cè)電子將可能有足夠能量越過(guò)勢(shì)壘，對(duì)載流子阻擋作用較小?；蛘呷绻麆?shì)壘寬度很薄,金半接觸勢(shì)壘的阻擋作用也會(huì)消失。當(dāng)半導(dǎo)體摻雜濃度非常高,就會(huì)產(chǎn)生很窄的耗盡層,即勢(shì)壘寬度很薄，在這種情況下，即便勢(shì)壘很高,電子也會(huì)由于量子隧穿效應(yīng)能夠直接穿透界面,形成導(dǎo)電電流。這兩種極端情況形成的金半界面具有歐姆接觸特性,即線性雙向?qū)щ?。?dāng)半導(dǎo)體的摻雜濃度較低，且與金屬形成的勢(shì)壘高度q中e>>kT，則金半接觸勢(shì)壘將決定導(dǎo)電極性和電流大小。這就是典型的肖特基勢(shì)壘接觸。具有肖特基勢(shì)壘的金半接觸在外接電源時(shí)，將顯示單向?qū)щ娬魈匦?形成的二極管就被稱為肖特基勢(shì)壘二極管,常簡(jiǎn)稱為"SBD"(Schottky barrier diode)。

金屬與p型半導(dǎo)體也可能形成肖特基勢(shì)壘接觸,以圖3.2的同一金屬為例說(shuō)明。對(duì)于p型半導(dǎo)體，其費(fèi)米能級(jí)將位于靠近價(jià)帶頂?shù)慕麕е?。這時(shí)半導(dǎo)體的電子功函數(shù)將大于金屬的功函數(shù)，W。>Wm。因此,兩者緊密接觸后,界面電子交換將導(dǎo)致在金屬一側(cè)聚積正電荷，p型半導(dǎo)體一側(cè)形成負(fù)電荷空間電荷區(qū)，從而造成由金屬界面至半導(dǎo)體內(nèi)部的電勢(shì)分布，半導(dǎo)體界面附近的能帶將向下彎曲,形成阻擋空穴越過(guò)界面的能量勢(shì)壘。對(duì)于理想金半接觸,同一種金屬和同一種半導(dǎo)體(如硅),在n型襯底上的勢(shì)壘高度(g中s)與p型襯底上的勢(shì)壘高度(g.B)之和,應(yīng)正好等于該半導(dǎo)體的禁帶寬度(E。)。所以，金屬與p型半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度可表示為

早期研究者曾認(rèn)為,對(duì)于口型半導(dǎo)體,如果金屬功函數(shù)小于半導(dǎo)體功函數(shù),即WI。兩者接觸時(shí)電子將從金屬流向半導(dǎo)體,在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū),這里的能濃度會(huì)比體內(nèi)高,因而是高電導(dǎo)區(qū)域。這種金半界面層可稱為反阻擋層,形成歐姆接觸濃度會(huì)比體內(nèi)差金屬功函數(shù)大于半導(dǎo)體功函數(shù)、即W。Wy者接觸時(shí)也會(huì)形成反擋界面層,具有優(yōu)良?xì)W姆接觸特性。這時(shí)在半導(dǎo)體界面層的空型金/屬和高,因而是高電導(dǎo)區(qū)域。圖3.5為按照這種功函數(shù)差值模型,設(shè)想的4種不同類型金屬和半導(dǎo)體接觸界南層能帶結(jié)構(gòu)示意圖，推測(cè)在界面上既可能形成阻擋載流子運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘層，也可能形成反陽(yáng)售層。但是,由于界面能級(jí)"釘扎"效應(yīng)(詳見(jiàn)3.2.4節(jié)),金半接觸勢(shì)并非完全由兩者功函數(shù)決定,界面總是存在勢(shì)壘,不能形成反阻擋層。近年在納米CMOS及其他超高頻半導(dǎo)體器件制流技術(shù)中,如何降低品體管源漏區(qū)接觸電阻,已成為關(guān)鍵難題之一,如果能找到某種金屬與半導(dǎo)體材料組合,或借助某種工藝,形成高電導(dǎo)界面接觸,則將成為金半接觸技術(shù)的重要突破。

以上是關(guān)于金半接觸性能的理想簡(jiǎn)化模型，常被稱為肖特基模型。根據(jù)這一模型，半導(dǎo)體與金屬形成的接觸導(dǎo)電特性,完全取決于兩者功函數(shù)差值變化。但是，大量實(shí)際測(cè)量得到的金半接觸勢(shì)壘高度數(shù)據(jù),與(3.7)式計(jì)算所得不同,即勢(shì)壘高度并不按q(中m一X)的關(guān)系隨金屬功函數(shù)變化。雖然金屬功函數(shù)差別很大(見(jiàn)圖3.3)，但它們與半導(dǎo)體的實(shí)測(cè)接觸勢(shì)壘高度差別卻小得多。這說(shuō)明必然有其他因素對(duì)金半接觸勢(shì)壘的形成及其高度有顯著影響。1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家巴丁(J.Bardeen)，在探索半導(dǎo)體晶體管的過(guò)程中，根據(jù)許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了表面態(tài)模型[，更好地說(shuō)明了金半接觸勢(shì)壘的形成機(jī)制。

3.2.4 半導(dǎo)體表面與界面

半導(dǎo)體與其他固體材料的物理和化學(xué)性質(zhì)是由它們的晶體結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體晶體內(nèi)部原子的周期性排列及其形成的周期性電勢(shì)場(chǎng)決定了半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)。表面是晶格三維周期性終止之處，表面原子有未能與其他原子結(jié)合的懸掛化學(xué)鍵。因而表面的電子能量狀態(tài)應(yīng)該與內(nèi)部有所不同,在禁帶內(nèi)可能產(chǎn)生只存在于表面的局域化電子能量狀態(tài)，即表面能級(jí),或稱表面態(tài)。圖3.6顯示硅晶體表面原子與內(nèi)部原子價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的不同。體內(nèi)的原子通過(guò)相鄰原子的兩個(gè)電子結(jié)合形成共價(jià)鍵,表面上的相鄰原子之間也可組成共價(jià)鍵,但表面原子在體外一側(cè)的電子則成為未飽和的懸掛鍵。這種不完整的鍵可以接受一個(gè)電子形成飽和鍵。因此,與懸掛鍵相對(duì)應(yīng)的表面能級(jí)是受主能態(tài)。表面電子能級(jí)概念是由蘇聯(lián)物理學(xué)家塔姆(IETamm，1885一1971)在1933年首先提出的,故也曾被稱為塔姆能級(jí)。有關(guān)硅等共價(jià)鍵半導(dǎo)體的懸掛鍵表面態(tài)理論最早由肖克菜(W.Shockley)提出。表面態(tài)在禁帶中間有一定分布,能級(jí)密度與晶向及表面結(jié)構(gòu)等有關(guān),通?？梢钥闯墒沁B續(xù)變化的。

實(shí)際的半導(dǎo)體晶體表面上常存在各種吸附雜質(zhì)、缺陷和介質(zhì)層。例如,硅表面總會(huì)有一薄氧化硅層,真正的表面實(shí)際上處于界面。因此,也常用界面能級(jí)(或稱界面態(tài))描述界面電子狀態(tài)。除了上述與懸掛鍵有關(guān)的電子能態(tài)外,界面上的雜質(zhì)、缺陷也會(huì)在表面禁帶中形成電子能級(jí),有施主型的,也有受主型的,即表面能級(jí)可能發(fā)射電子，也可能接受電子。半導(dǎo)體的表面或界面可以與半導(dǎo)體內(nèi)部交換電子或空穴。由于這種電荷交換,即便沒(méi)有金屬接觸，半導(dǎo)體表面與體內(nèi)之間也可能形成一定電勢(shì)差。例如,如果n型半導(dǎo)體內(nèi)部的導(dǎo)帶電子運(yùn)動(dòng)至表面,占據(jù)能量較低的禁帶內(nèi)表面能級(jí),則可使表面帶負(fù)電,而在半導(dǎo)體內(nèi)留下施主雜質(zhì)離子正電荷。表面以內(nèi)就會(huì)形成空間電荷區(qū)和相應(yīng)的電場(chǎng)。這導(dǎo)致能帶在空間電荷區(qū)內(nèi)向上彎曲,在熱平衡條件下,表面與內(nèi)部形成統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)和表面勢(shì)壘。這說(shuō)明即使未和金屬接觸,半導(dǎo)體表面也會(huì)形成電子勢(shì)壘或空穴勢(shì)壘。

在與金屬接觸時(shí)，界面電子能態(tài)將與金屬功函數(shù),共同對(duì)金半接觸肖特基勢(shì)壘的形成作貢獻(xiàn)。圖3.7就是考慮半導(dǎo)體表面電子態(tài)影響后,金半接觸肖特基勢(shì)壘形成的示意圖。圖3.7中半導(dǎo)體表面禁帶內(nèi)的短劃線代表表面能級(jí)(也可稱為界面能級(jí)),其中，q定義為表面中性費(fèi)米能級(jí)或中性能級(jí),用以描述表面的電荷狀態(tài)。如果電子填滿q。以下的全部表面能級(jí),則表面是電中性的;當(dāng)電子填充低于q時(shí),表面將帶正電;當(dāng)電子填充超過(guò)9時(shí),則表面帶負(fù)電。處于金屬與半導(dǎo)體之間的表面能級(jí),和兩者都可能交換電子。圖3.7中金屬與半導(dǎo)體之間有一超薄介質(zhì)層,這是因?yàn)樵诘矸e金屬時(shí),硅等半導(dǎo)體表面往往有厚度為0.1~1 nm的薄氧化層覆蓋。由于量子隧穿效應(yīng),這層超薄介質(zhì)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)影響較小。

圖3.7顯示金屬、n型半導(dǎo)體表面與內(nèi)部3個(gè)部分通過(guò)電子交換達(dá)到熱平衡后的能帶圖。如果金屬、半導(dǎo)體表面和內(nèi)部耗盡區(qū)的電荷量分別用Qm、Q:、Qa代表,按熱平衡狀態(tài)下的電中性要求,則Qm十Qi十Qa=0。圖3.7中的統(tǒng)-費(fèi)米能級(jí)在表面中性能級(jí)g。之下，表明表面帶正電，這是由于部分表面能級(jí)上的電子轉(zhuǎn)移到金屬。這說(shuō)明與沒(méi)有表面能級(jí)時(shí)相比，對(duì)于同樣金半接觸，半導(dǎo)體耗盡區(qū)的正電荷將減少，因而半導(dǎo)體耗盡區(qū)寬度與勢(shì)壘高度都相應(yīng)變小?？梢?jiàn)金半接觸勢(shì)壘的形成,除前面討論的兩者功函數(shù)外,還受表面電子態(tài)的影響，其程度取決于表面能級(jí)密度。如果表面能級(jí)密度很高,體內(nèi)導(dǎo)帶電子會(huì)填充這些表面能級(jí)，填充的最高能級(jí)將接近表面中性能級(jí)9.o。高密度表面能級(jí)與金屬交換電子后，其填充水平也將保持在中性能級(jí)g。附近。達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)內(nèi)的接觸電勢(shì)差，將決定于半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)與表面中性費(fèi)米能級(jí)之差，

通常q是以價(jià)帶頂基點(diǎn)量度的,因此，肖特基勢(shì)壘高度將由下式?jīng)Q定:

在表面能級(jí)密度很高的情況下,半導(dǎo)體表面費(fèi)米能級(jí)位置和表面勢(shì)壘高度都主要由表面電子能態(tài)決定,而與金屬功函數(shù)及半導(dǎo)體摻雜濃度的相關(guān)性顯著減小。這種現(xiàn)象被稱為費(fèi)能級(jí)有扎效應(yīng)(pinning elfiect)。這一效應(yīng)在肖特基勢(shì)壘形成及 M(OS等器件性能中有著重要作用。

以上討論說(shuō)明,肖特基勢(shì)壘高度對(duì)半導(dǎo)體表面或界面狀態(tài)十分敏感,因而應(yīng)與半導(dǎo)體表面晶向、清洗工藝及金屬接觸制備工藝等許多因素有關(guān)。此外,根據(jù)電學(xué)原理,電子和金屬之間的鏡像力作用也會(huì)使勢(shì)壘高度有所降低。應(yīng)用電流-電壓法(I-V)、電容-電壓法(CV)、光電等多種物理測(cè)試技術(shù),可以獲得勢(shì)壘高度數(shù)值。在文獻(xiàn)資料中可以找到各種金屬及金屬硅化物等導(dǎo)體,與各種半導(dǎo)體接觸的肖特基勢(shì)壘高度數(shù)據(jù)。由于材料、制備和測(cè)試方法不同,得到的勢(shì)壘高度數(shù)值往往有一定分散性。

3.2.5 金屬/半導(dǎo)體肖特基接觸的單向?qū)щ娞匦?/p>

金屬和半導(dǎo)體兩者接觸形成的肖特基勢(shì)壘，將對(duì)電子在兩者之間的運(yùn)動(dòng)起阻擋作用。這說(shuō)明接觸勢(shì)壘區(qū)是一個(gè)高電阻區(qū)域,而且其電阻隨所加電壓的極性及大小變化。由圖3.8可見(jiàn)在不同電壓條件下，金屬與n型半導(dǎo)體肖特基接觸勢(shì)壘的變化情形。圖3.8(a)為無(wú)外接電源時(shí)的金半接觸體系能帶,這時(shí)雖然界面兩側(cè)有少部分能量超過(guò)勢(shì)壘高度的電子，也會(huì)越過(guò)勢(shì)壘形成電子流，但在熱平衡狀態(tài)下，由金屬到半導(dǎo)體與相反方向的電子流完全相等，凈電流為零。當(dāng)金半之間外接電源時(shí),熱平衡狀態(tài)遭到破壞,電壓將主要降落在高電阻的半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū),改變其勢(shì)壘寬度和高度。

如果金屬一側(cè)加正電壓,即V0,如圖3.8(b)所示，對(duì)半導(dǎo)體中的電子，勢(shì)壘高度將減小,由gVu降為g(V:一V)，導(dǎo)致更多半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子進(jìn)人金屬,使電子流密度增加;但對(duì)于金屬中的電子,勢(shì)壘高度基本上不隨外加電壓變化，勢(shì)壘高度依舊為g中B,由金屬進(jìn)人半導(dǎo)體的電子流密度與加電壓前相比應(yīng)無(wú)變化,因此，將有凈電流通過(guò),即金半接觸處于正向?qū)щ姞顟B(tài),電流密度隨電壓上升而增加。在V<0的反向電壓下，如圖3.8(c)所示,降落在空間電荷區(qū)的負(fù)電壓使半導(dǎo)體內(nèi)能帶下移，空間電荷區(qū)厚度增寬,表面勢(shì)壘高度增大到g(Vs:十IV|)，相應(yīng)由半導(dǎo)體一側(cè)越過(guò)勢(shì)壘的電子流將比零電壓時(shí)更小,即金半接觸處于反向截止?fàn)顟B(tài)。在反向電壓偏置下，從半導(dǎo)體到金屬的反向電流,由從金屬越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入半導(dǎo)體的電子流組成,其大小取決于勢(shì)壘高度和溫度。由于這個(gè)勢(shì)壘高度不為外加電壓所改變,在反向電壓較高和恒定溫度條件下,肖特基接觸的反向電流應(yīng)該不隨電壓變化,故稱為反向飽和電流。在常溫下能量大于勢(shì)壘高度9中的電子數(shù)目很少，所以,反向飽和電流密度很小。

上面利用簡(jiǎn)單熱發(fā)射模型,定性說(shuō)明金半接觸肖特基勢(shì)壘的單向?qū)щ姍C(jī)理。通過(guò)金半接觸界面勢(shì)壘的電子，必須在電子濃度梯度和電場(chǎng)的作用下首先輸運(yùn)到界面,如果其能量足夠高,就越過(guò)界面勢(shì)壘進(jìn)入金屬,形成電流。電子擴(kuò)散和熱發(fā)射是決定肖特基勢(shì)壘區(qū)域電子運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)相繼過(guò)程。電流大小取決于兩者中較弱的過(guò)程。對(duì)于金半接觸電學(xué)特性的定量理論,肖特基和其他學(xué)者進(jìn)行了研究,提出了擴(kuò)散理論和熱發(fā)射理論,后來(lái)又發(fā)展了兩者相結(jié)合的綜合理論等。根據(jù)金半接觸理論分析,肖特基勢(shì)壘二極管的電流密度J與電壓V的依賴關(guān)系可以表示為

J0為飽和電流密度,它取決于肖特基勢(shì)壘高度,并隨溫度上升顯著增加。(3.15)式中A稱為有效理查孫常數(shù)(effective Richardson's constant),單位為A/(K2.cm2),其數(shù)值依賴于載流子有效質(zhì)量等,對(duì)n型與p型硅,其計(jì)算值分別約為112與32。(3.14)式中,n被稱為理想因子,對(duì)于理想的肖特基勢(shì)壘二極管,勢(shì)壘高度恒定，n值等于1。但對(duì)于實(shí)際器件,由于受鏡像力效應(yīng)等因素影響,金半接觸勢(shì)壘高度隨外加電壓有所變化，n值通常大于1。在v大于3kT/g條件下,(3.14)式可簡(jiǎn)化為

根據(jù)(3.14)式至(3.16)式的電流/電壓特性及其隨溫度的變化規(guī)律，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以獲得肖特基二極管的勢(shì)壘高度中B和理想因子n的數(shù)值。

3.2.6 肖特基接觸器件的應(yīng)用以上簡(jiǎn)要介紹的金屬半導(dǎo)體界面及接觸的一些基本物理概念和肖特基勢(shì)壘導(dǎo)電特性，對(duì)于了解微電子器件原理和發(fā)展半導(dǎo)體工藝技術(shù)都十分重要。肖特基勢(shì)壘二極管是多數(shù)載流子器件,速度快,在分立和集成電路中都有廣泛應(yīng)用。不同功能的器件對(duì)肖特基勢(shì)壘高度要求不同，有的器件要求高勢(shì)壘，有的要求低勢(shì)壘，這就需要應(yīng)用不同的金屬薄膜材料制備金半接觸。各種不同耐壓和功率的肖特基二極管在檢波、整流、高速開(kāi)關(guān)電源等方面有廣泛應(yīng)用。肖特基接觸用于制造抗飽和雙極型邏輯電路，可顯著提高信號(hào)傳輸速度。利用肖特基勢(shì)壘接觸,在GaAs等化合物半導(dǎo)體材料上，制造高速金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)集成電路。如何應(yīng)用肖特基勢(shì)壘接觸特性，發(fā)展新型納米CMOS電路也是一個(gè)受到重視的研究課題L5。

所有半導(dǎo)體器件都需要制備導(dǎo)電性能優(yōu)越的歐姆接觸,而且近年隨著集成電路器件尺寸持續(xù)縮微,要求獲得接觸電阻率越來(lái)越小的金半接觸。雖然按圖3.5所示原理,可形成無(wú)勢(shì)壘的金屬和半導(dǎo)體接觸,但在至今實(shí)際可應(yīng)用的歐姆接觸材料及工藝中，金半接觸通常屬勢(shì)壘接觸。在高摻雜半導(dǎo)體襯底上,即便可以獲得歐姆接觸特性，但其接觸電阻率數(shù)值還是與勢(shì)壘高度相關(guān)。因此,低勢(shì)壘導(dǎo)電材料和工藝的研究與開(kāi)發(fā)成為影響硅納米集成電路技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵課題之一[6]。