硅-二氧化硅系统的性质

1、1. 1. 二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子2. 2. 二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅中的固定表面电荷3. 3. 在硅在硅二氧化硅界面处的快界面态二氧化硅界面处的快界面态4.4.二氧化硅中的陷阱电荷二氧化硅中的陷阱电荷二氧化硅中的可动离子有二氧化硅中的可动离子有NaNa、K K、H H等，其中最主要等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是而对器件稳定性影响最大的是NaNa离子离子。来源来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等沾污等 为什么为什么SiOSiO2 2层中容易玷污这些正离子而且易于在其层中容易玷污这些正离子而且易于在其中迁移呢

2、？中迁移呢？二氧化硅结构的基本单元是二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面一个由硅氧原子组成的四面体；体；磷、硼等常以替代位形式居磷、硼等常以替代位形式居于四面体的中心；于四面体的中心；NaNa、K K等大离子存在于四面等大离子存在于四面体之间，可以使网络结构变体之间，可以使网络结构变形，使二氧化硅呈现多孔性，形，使二氧化硅呈现多孔性，从而导致从而导致NaNa、K K大离子易于大离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。在二氧化硅中迁移或扩散。 一般杂质在二氧化硅扩散时的扩散系数具有以一般杂质在二氧化硅扩散时的扩散系数具有以下形式下形式磷和硼的磷和硼的 值分别为值分别为 和和 而纳则为而纳则为

3、 由于由于NaNa的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故NaNa离子在二氧化硅中的迁移率也特别离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。大。 TkEDDa00expDscm /10326scm/100 .128scm /0 . 52杂质激活能温度达到温度达到100100摄氏度以上时，摄氏度以上时，NaNa离子在电场作离子在电场作用下以较大的迁移率发生迁移运动。用下以较大的迁移率发生迁移运动。NaNa离子的漂移可以引起二离子的漂移可以引起二氧化硅层电荷分布的变化，氧化硅层电荷分布的变化，从而使从而使

4、MOSMOS结构的结构的C-VC-V特性特性曲线发生偏移；曲线发生偏移；漂移量的大小和漂移量的大小和NaNa离子的离子的数量及其在二氧化硅层中数量及其在二氧化硅层中的腹部情况有关的腹部情况有关作偏压作偏压温度实验，可以测量二氧化硅中单温度实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的位面积上的NaNa离子电荷量：离子电荷量：单位单位面积钠离子电荷数：面积钠离子电荷数：NaoFBQCVNaNaQNqSiO2层单位面积的电容可动钠离子对器件的稳定性影响最大可动钠离子对器件的稳定性影响最大 （1 1）漏电增加，击穿性能变坏）漏电增加，击穿性能变坏 （2 2）平带电压增加）平带电压增加如何解决钠离子玷污的问题如

5、何解决钠离子玷污的问题 （1 1）把好清洁关）把好清洁关 （2 2）磷蒸汽处理）磷蒸汽处理二氧化硅层中固定电荷有如下特征二氧化硅层中固定电荷有如下特征 电荷电荷面密度是固定的面密度是固定的这些电荷位于这些电荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面20nm20nm范围范围以内以内固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系体的取向有很显著的关系 过剩硅离子是固定正电荷的过剩硅离子是固定正电荷

6、的来源来源这些电荷出现在这些电荷出现在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面20nm20nm范围范围以内，这个区以内，这个区域是域是SiOSiO2 2与硅结合的地方，极易出现与硅结合的地方，极易出现SiOSiO2 2层中的缺陷及层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子实验实验证明，若在硅晶体取向分别为证明，若在硅晶体取向分别为111111、110110和和100100三个方向生长三个方向生长SiOSiO2 2时，他们的硅时，他们的硅二氧化硅结构中二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为的固定表面电荷密度之比约为3:2:13:2:1。 将氧离子注入将氧离子

7、注入Si-SiO2Si-SiO2系统界面处，在系统界面处，在450450度进行处度进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降理，发现固定表面电荷密度有所下降将将MOSMOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度高出钠离子漂移温度（高出钠离子漂移温度（127127度）时，这些固定的表面电荷密度）时，这些固定的表面电荷密度有所增加。度有所增加。 平带电压平带电压 单位表面积的固定单位表面积的固定正电荷数目正电荷数目 msfcFBVCQV0msFBrfcfcVVqdqQN0000CQVfcFB考虑金属和半导体功函数差的影响指的是在Si-SiO2界面处位于禁带

8、中的能级或能带。Si-SiOSi-SiO2 2系统中位于两者界面处的系统中位于两者界面处的界面态来自界面态来自于悬于悬挂挂键。不同晶面悬挂键密度不同，键。不同晶面悬挂键密度不同，(100)(100)面最少。面最少。硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界面态同样引入界面态。在硅表面处存在杂质等也可以引。在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态。入界面态。这些这些界面态位于界面态位于Si-SiOSi-SiO2 2界面处，所以可以迅速地界面处，所以可以迅速地和和SiSi半导体内导带或价带交换电荷，故此称为半导体内导带或价带交换电荷，故此称为“快

9、快态态”。 界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电子之后呈现正电性，称为施主型界面态子之后呈现正电性，称为施主型界面态 若能级空着时为电中性而被电子占据时带上负电荷，若能级空着时为电中性而被电子占据时带上负电荷，即称为受主型界面态即称为受主型界面态 界面态界面态能级被电子或空穴所占据的概率，与半导体能级被电子或空穴所占据的概率，与半导体内部的杂质能级被电子占据的概率分布相同内部的杂质能级被电子占据的概率分布相同 界面态分为两种：141. 电子占据施主界面态的分布函数TkEEgEfFsDsDsD0exp111)(施主界面态能值基态简并度等于215

10、TkEENEfNEnFsDssDsDssDsD0exp2111)()(单位面积上的界面态数 若界面能值为EsD，则单位面积界面态上的电子数为：16 若界面态能级在禁带中连续分布，在能值E处单位能量间隔内单位面积上的界面态数为Nss(E)，则单位面积界面态上的电子数为：/0exp211)(sDsDEEFssTkEEdEENn172. 电子占据受主界面态的分布函数TkEEgEfsAFsAsA0exp111)(受主界面态能值基态简并度等于4 受主界面态中的空穴数的计算方法同上。18(二) 界面态电荷随外加偏压VG的变化 由于某些原因(如温度的变化，外加偏压的变化)使半导体的费米能级相对于界面态能级的

11、位置变化时，界面态上电子填充的概率将随之变化，因而界面态电荷也发生变化。以外加偏压VG变化的情形来说明。 当外加偏压VG变化时，由于能带弯曲程度随之变比，引 起EF相对于界面态能级的位置发生变化。以p型硅为例： VG0时，表面层能带向下弯曲(如下图)，表面处的施主和受主界面态能级相对于费米能级向下移动： 当靠近导带的受主态向下移动到EF处时，由于电子占据受主界面态，表面出现负的界面态附加电荷； 该负电荷也是削弱能带弯曲程度和表面层中的负电荷； 随VG变化，界面态中的电荷随之改变，即界面态发生充放电效应。2122 界面态密度在禁带中呈“U”形连续分布 在禁带中部，界面态密度较低；在靠近导带底和价

12、带顶处，界面态密度迅速增加，不再下降。减少界面态的方法减少界面态的方法 合理地选择面原子密度小的晶面，合理地选择面原子密度小的晶面，如（如（100100）晶面）晶面上生长上生长SiOSiO2 2，会减小未饱和，会减小未饱和的悬挂的悬挂键的密度，从而键的密度，从而使界面态密度下降使界面态密度下降 。通过通过选择在适当的条件和气氛下对选择在适当的条件和气氛下对Si-SiOSi-SiO2 2系统进系统进行退火，来降低表面态的密度行退火，来降低表面态的密度 。Si-SiOSi-SiO2 2系统在器件工艺，测试或应用中常系统在器件工艺，测试或应用中常常常会会受高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，受高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，可以可以在氧化层中产生电子空穴对。在偏压在氧化层中产生电子空穴对。在偏压作用下作用下，电子空穴对中的电子容易运动至，电子空穴对中的电子容易运动至外加外加偏置电路偏置电路形成电流，而空穴即被形成电流，而空穴即被SiOSiO2 2