微电子工艺课件第二章

微电子工艺课件第二章第一页，共八十页，2022年，8月28日12.1SiO2的结构及性质结构第二页，共八十页，2022年，8月28日2Si-O四面体结晶形硅的O-Si-O桥键键角固定为109.5°，而无定形的不固定(110°-180°)第三页，共八十页，2022年，8月28日3SiO2二维结构示意图

桥键氧非桥键氧网络疏松、不均匀，存在空洞，分子占空间体积的43%第四页，共八十页，2022年，8月28日4一、物理性质

SiO2的主要性质第五页，共八十页，2022年，8月28日51.化学性质非常稳定，仅与氢氟酸发生化学反应：二、化学性质2.可与强碱溶液发生极慢的化学反应，生成相应的硅酸盐。第六页，共八十页，2022年，8月28日6一、网络形成者按杂质在网络中所处位置可分为两类：网络形成者和网络改变者：2.2SiO2的掩蔽作用杂质在SiO2中的存在形式少一个价电子，故顶角的4个O中剩余一个无法与之形成共价键而变成非桥键O多一个价电子，还可与近邻的一个非桥键O形成共价键而变成桥键O第七页，共八十页，2022年，8月28日7第八页，共八十页，2022年，8月28日8二、网络改变者以氧化物的形式进入网络后离化，把氧离子交给网络第九页，共八十页，2022年，8月28日9一、选择扩散即在器件制造中通过硅表面某些特定区域向硅内掺入杂质，其余区域不进行掺杂；选择扩散是根据某些杂质在条件相同的情况下，在SiO2中的扩散速度远小于在硅中扩散速度的性质来完成的，即利用该层对某些杂质起到“掩蔽”作用来达到的；实际上，掩蔽是相对的、有条件的，因为杂质在硅中扩散的同时，在SiO2中也进行扩散，但因扩散系数相差几个数量级，扩散速度相差非常大。在相同条件下，杂质在硅中的扩散深度已达到要求时，而在SiO2中的扩散深度还非常浅，没有扩透预先生长的SiO2层，因而在SiO2层保护的硅内没有杂质进入，客观上就起到了掩蔽作用。杂质在SiO2中的扩散系数第十页，共八十页，2022年，8月28日10二、扩散系数杂质在SiO2中的运动遵循扩散规律，即扩散系数为：其中，ΔE为杂质在SiO2中的扩散激活能，D0为表观扩散系数。B、P等杂质在SiO2中的扩散系数很小，SiO2对该类杂质是理想的扩散掩蔽膜；碱金属离子(如Na离子)，镓在SiO2中的扩散系数非常大，SiO2层对该类杂质起不到掩蔽作用。第十一页，共八十页，2022年，8月28日11掩蔽层厚度的确定为了保证SiO2层能起到有效的掩蔽作用，要求该层具有一定的厚度，以便保证由SiO2掩蔽的硅中没与杂质扩进。准确确定该厚度可以采用放射性示踪技术等有关方法进行测量，也可以通过计算和实践相结合的办法，比较准确地估算其厚度。对恒定源和有限源两种扩散来说，杂质在SiO2中服从余误差分布和高斯分布。对余误差分布来说。浓度为C(x)所对应的深度表达式为：其中，Cs为扩散温度下杂质在SiO2表面的浓度，t为杂质在硅一、确定掩蔽层厚度第十二页，共八十页，2022年，8月28日12理想情况下，SiO2掩蔽层下面没有杂质扩进。而确定SiO2厚度时，往往假定SiO2表面处的杂质浓度与Si-SiO2界面处的杂质浓度之比为某一个值(如103)时，就认为起到了掩蔽作用，故由上式可得掩蔽层的最小厚度为：中达到扩散浓度所需要的时间。第十三页，共八十页，2022年，8月28日13二、影响掩蔽效果的因素SiO2薄膜的厚度，杂质在SiO2中的浓度和扩散系数；杂质在Si衬底中的浓度和扩散系数；杂质在Si-SiO2界面的分凝系数；制备SiO2薄膜的方法。如下图，是用干氧氧化方法生长的SiO2层在不同温度下掩蔽气态P2O5和B2O3杂质源时，扩散时间与所需最小SiO2层厚度xmin的关系。第十四页，共八十页，2022年，8月28日14各种温度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度与时间的关系第十五页，共八十页，2022年，8月28日15当P2O5与SiO2

接触时，SiO2就转变为含磷的玻璃体。扩散刚开始，只有靠近表面的SiO2转变为含磷的玻璃体。(b)大部分SiO2层已转变为含磷的玻璃体。(c)整个SiO2层都转变为含磷的玻璃体。(d)在SiO2层完全转变为玻璃体后，又经过一定时间，SiO2层保护的硅中磷已经扩进一定深度。以P2O5杂质源为例来说明SiO2的掩蔽过程第十六页，共八十页，2022年，8月28日162.3硅的热氧化生长动力学硅的热氧化一、硅的热氧化法

指硅与氧或水汽等氧化剂在高温下经化学反应生成SiO2。高压氧化也属于热氧化法：基本过程：硅与氧化剂之间经化学反应形成具有四个Si-O键的Si-O四面体；反应初始阶段，硅表面没有SiO2层，则氧或水汽等氧化剂直接与硅反应生成SiO2，其生长速率由表面化学反应的快慢决定；当硅表面上生成(或者原有)一定厚度的SiO2层，氧化剂必须以扩散方式运动到Si-SiO2界面，再与硅反应生成SiO2，故第十七页，共八十页，2022年，8月28日17随着SiO2厚度的增加，生长速率将逐渐下降。其生长速率将由氧化剂通过SiO2层的扩散速率所决定。干氧氧化时厚度超过40Å，湿氧氧化时厚度超过1000Å时，生长过程将由表面化学反应控制转为扩散控制。第十八页，共八十页，2022年，8月28日18第十九页，共八十页，2022年，8月28日19表面硅经化学反应转变为SiO2，随反应的进行，硅表面位置不断向硅内方向移动，如下图所示。其中，xo为SiO2层第二十页，共八十页，2022年，8月28日20厚度，x为氧化前后硅表面位置的变化量。设SiO2和Si的原子密度分别为CSiO2和CSi。则有：每平方厘米中转变为SiO2的分子数每平方厘米中所转变的Si原子数即要生长一个单位厚度的SiO2，需要消耗0.44个单位厚度的Si层。第二十一页，共八十页，2022年，8月28日21第二十二页，共八十页，2022年，8月28日22干氧氧化第二十三页，共八十页，2022年，8月28日23二、几种氧化方法1.干氧氧化干氧氧化是指在高温下，氧气与硅反应生成SiO2。

氧化温度为900-1200℃，为了防止外部气体的玷污，炉内气体压力应比一个大气压稍高些，可通过气体流速来控制。优点：结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶黏附好，目前制备高质量的SiO2薄膜基本上都是采用这种方法。缺点：干氧氧化法的生长速率慢，所以经常同湿氧氧化方法相结合生长SiO2

。第二十四页，共八十页，2022年，8月28日24水汽氧化：在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成SiO2。产生的H2分子沿Si-SiO2界面或者以扩散方式通过SiO2层散离。水汽氧化的生长速率一般比较高，原因是水比氧在SiO2中有更高的扩散系数和大得多的溶解度。2.水汽氧化第二十五页，共八十页，2022年，8月28日253.湿氧氧化湿氧氧化的氧比剂是通过高纯水的氧气，高纯水一般被加热到95℃左右。通过高纯水的氧气携带一定水蒸气，所以湿氧氧化的氧化剂既含有氧，又含有水汽。因此，SiO2的生长速率介于干氧和水汽氧化之间，具体情况与氧气流量、水汽的含量有着密切关系。水汽含量与水温和氧气流量有关。氧气流量越大，水温越高，则水汽含量就越大。如果水汽含量很少，SiO2的生长速率和质量就越接近于干氧氧化的情况，反之，就越接近水汽氧化情况。

第二十六页，共八十页，2022年，8月28日264.其它氧化方法也可以用情性气体(氮气或氩气)携带水汽进行氧化，在这种情况下的氧化完全由水汽引起的；采用高温合成技术进行水汽氧化，在这种氧化系统中，氧化剂是由纯氢和纯氧直接反应生成的水汽。这种方法可在很宽的范围内变化H2O的压力，并能减少污染。在实际生产中，根据要求选择干氧氧化、水汽氧化或湿氧氧化。对于制备较厚的SiO2层来说，往往采用的是干氧-湿氧-干氧相结合的氧化式。这种氧化方式既保证SiO2表面和Si-SiO2界面质量，又解决了生长效率的问题。第二十七页，共八十页，2022年，8月28日27热氧化生长动力学一、其厚度与气体流速、气体成份、温度和SiO2表面等情况有关.第二十八页，共八十页，2022年，8月28日28二、迪尔(Deal)-格罗夫(Grove)氧化动力学(D-G)模型1.适用条件氧气氧化和水汽氧化；温度范围700—1300℃；压强范围2×104Pa—1.0l×105Pa；氧化层厚度范围300—20000Å。2.准静态近似：由于SiO2层不断生长，SiO2-Si界面也就不断向Si内移动，所以氧化过程中的扩散问题是边界随时间变化的问题。采用准静态近似后，变动的边界对扩散过程的影响就可以忽略。

定义：氧化过程中假定所有反应都立即达到稳态条件。第二十九页，共八十页，2022年，8月28日293.亨利定律在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于该物质在固体周围的气体中的分压。4.热氧化过程（1）氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞留层运动到气体-SiO2界面，其流密度用F1表示，如下图所示。第三十页，共八十页，2022年，8月28日30气体内部氧化剂浓度贴近SiO2表面的氧化剂浓度SiO2表面的氧化剂浓度Si-SiO2界面的氧化剂浓度主气流区的氧化剂分压贴近SiO2表面的氧化剂分压第三十一页，共八十页，2022年，8月28日31第三十二页，共八十页，2022年，8月28日32从气体内部到气体-SiO2界面处的氧化剂流密度为正比于二者相对应区域中的浓度差其中，hg是气相质量输运(转移)系数。由亨利定律可得：其中，H是亨利定律系数。由理想气体定律可得：SiO2中氧化剂浓度故可得：第三十三页，共八十页，2022年，8月28日33用固体中的浓度表示的附面层中的流密度用固体中的浓度表示的气相质量输运系数第三十四页，共八十页，2022年，8月28日34（2）氧化剂以扩散方式穿过SiO2层(忽略漂移的影响)，到达SiO2/Si界面，其流密度为F2：即扩散流密度其中，DSiO2是SiO2中的扩散系数。（3）氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，其流密度为F3：其中，ks是氧化剂与Si反应的化学反应常数。在准静态近似下，三个流密度应该相等，则有：第三十五页，共八十页，2022年，8月28日35故可得：由上两式可得到硅的热氧化存在两种极限情况(h>>ks)：扩散控制第三十六页，共八十页，2022年，8月28日36该极限情况下，氧化剂以扩散方式通过SiO2层运动到Si-SiO2界面处的数量极少，以至于到达界面处的氧化剂与Si立即发生反应生成SiO2，在界面处没有氧化剂的堆积，浓度趋于零；因扩散速度太慢，而大量氧化剂堆积在SiO2表面处，浓度趋向于同气相平衡时的浓度C*；由此可知，在该情况下，SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散速度所决定，故称为扩散控制，如下图所示。第三十七页，共八十页，2022年，8月28日37扩散控制反应控制第三十八页，共八十页，2022年，8月28日38该极限情况下，进入SiO2中的氧化剂快速扩散到Si-SiO2界面处；相比之下，在界面处氧化剂与Si反应生成SiO2的速率很慢，结果造成氧化剂在界面处堆积，趋向于SiO2表面处的浓度；因此，SiO2的生长速率主要由Si表面的化学反应速度控制，故称为反应控制。如上图所示。反应控制（4）反应的副产物离开界面。第三十九页，共八十页，2022年，8月28日39热氧化生长速率一、随着SiO2的生长，界面处的Si不断地转化为SiO2中的成份，所以Si表面处的流密度为：其中，N1表示生长单位体积SiO2所需的氧化剂的分子数。SiO2的分子密度为2.2×1022个/cm3，则有：第四十页，共八十页，2022年，8月28日40SiO2薄膜生长速率第四十一页，共八十页，2022年，8月28日41其中：由上式也可得到硅热氧化存在的两种极限情况：扩散控制第四十二页，共八十页，2022年，8月28日42该情况下的氧化规律称抛物型规律，B为抛物型速率常数；B与DSiO2成正比，故SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散快慢决定，即为扩散控制。该情况下的氧化规律称线性规律，B/A为线性速率常数：反应控制大多数情况下，h是ks的103倍，SiO2的生长速率主要由表面化学反应速率常数ks决定，即为化学反应控制。第四十三页，共八十页，2022年，8月28日432.4决定氧化速率常数和影响氧化速率的各种因素决定氧化速率常数的各种因素一、氧化剂第四十四页，共八十页，2022年，8月28日44二、氧化剂分压即氧化速率与氧化剂分压成正比。如下图所示。因此，在一定氧化条件下，通过改变氧化剂分压可达到改变二氧化硅生长速率的目的，由此而出现了高压氧化和低压氧化技术。第四十五页，共八十页，2022年，8月28日45氧化速率与压强成正比第四十六页，共八十页，2022年，8月28日46三、氧化温度抛物型速率常数B和线性速率常数B/A与温度之间的关系均为指数关系，分别如下图所示。第四十七页，共八十页，2022年，8月28日47湿氧氧化干氧氧化第四十八页，共八十页，2022年，8月28日48湿氧氧化干氧氧化第四十九页，共八十页，2022年，8月28日49影响氧化速率的各种因素一、硅表面晶相对氧化速率的影响这种不同是因为各个晶面的键密度不同所引起的。第五十页，共八十页，2022年，8月28日50二、杂质对氧化速率的影响

1.硼、磷

掺有高浓度杂质的硅，其氧化速率明显变大，但是，杂质类型以及分凝系数不同，对氧化速率影响的机制是不同的。在氧化过程中杂质将在Si-SiO2界面两边重新分布，对于在SiO2中是慢扩散的杂质、而且分凝系数小于1的硼，在分凝过程中将有大量的硼从硅中进入并停留在SiO2中，使SiO2中非桥键氧的数目增加，从而降低了SiO2的结构强度，氧化剂不但容易进入SiO2中，而且穿过SiO2的扩散能力也增加，因此，抛物型速率常数明显增大，而对线性速率常数没有明显的影响。对于那些分凝系数虽然也小于1，但在SiO2中是快扩散的杂质，对氧化速率的影响与轻掺杂情况相似。这是因为大量的杂质通过SiO2表面跑到气体中去，对硅氧键的结合强度影响不大。氧化速率常数对存在于氧化剂中或者存在于硅衬底中的杂质、水汽、钠、氯、氯化物等物质都是非常敏感的。第五十一页，共八十页，2022年，8月28日51对于重掺磷的硅也可以观察到氧化速率增大现象，但其机制与硼不同。当掺磷的硅被氧化时，在分凝过程中，只有少量的磷被分凝到SiO2中，因而抛物型速率常数只表现出适度的增加，这是因为分凝进入SiO2中的磷量很少，氧化剂在SiO2中的扩散能力增加不大。大部分磷因分凝而集中在靠近硅表面的硅中，结果使线性氧化速率常数明显变大。下图给出的是抛物型和线性速率常数与磷浓度的关系。由图可以看到，当磷的浓度很高时，B/A常数迅速增加，而B只表现出适度的增加。第五十二页，共八十页，2022年，8月28日52

2.水汽

在干氧氧化的气氛中，只要存在极少量的水汽，就会对氧化速率产生重要的影响。对于干氧氧化来说，水汽应该被看作是此工艺过程中的杂质，而且会增加陷阱杂质。氧化过程中的水汽来源主要是：①硅片吸附的水；②氧气中含有的水；③碳氢化合物中的氢元素与氧发生反应生成的水；④从外界扩散到氧化炉中的水汽；⑤在含氯氧化中氢与氧发生反应生成的水。为了防止高温下水汽通过石英管壁进入氧化炉内，氧化石英管是双层的，并在两层中间通有高纯氮或氩，这样可以把通过外层石英管进入到夹层中的水汽及时排除。第五十三页，共八十页，2022年，8月28日533.钠

实验发现，当氧化层中如果含有高浓度钠时，线性和抛物型氧化速率都明显变大。这是因为钠往往以氧化物形式进入SiO2网络中，网络中氧的数量增加．一些Si-O-Si键受到破坏，非桥键氧数目增多。这样，氧化剂不但容易进入SiO2中，而且其浓度和扩散能力都增大。第五十四页，共八十页，2022年，8月28日544.氯为了改善SiO2和Si-SiO2界面性质，在氧化工艺中，氧化剂的气氛中加入一定数量的氯，可以使SiO2的特性得到很大的改善。主要包括：①钝化可动离子，尤其是钠离子；②增加了氧化层下面硅中少数载流子的寿命；③减少了SiO2中的缺陷，提高了氧化层的抗击穿能力；④降低了界面态密度和表面固定电荷密度；⑤减少了氧化层下的硅中由于氧化导致的堆积层错。第五十五页，共八十页，2022年，8月28日55

掺有杂质的硅在热氧化过程中．靠近Si-SiO2界面的硅中杂质，将在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。决定杂质再分布的主要因素有以下几方面：①杂质的分凝现象。②杂质通过SiO2表面逸散。③氧化速率的快慢。④杂质在SiO2中的扩散速度。2.5热氧化过程中的杂质再分布第五十六页，共八十页，2022年，8月28日56掺有杂质的硅在热氧化过程中，在Si-SiO2界面上的平衡杂质浓度之比定义为分凝系数。如果假设硅中的杂质分布是均匀的，而且氧化气氛中又不含有任何杂质，则再分布有四种可能。2.5.1杂质的再分布第五十七页，共八十页，2022年，8月28日57①m＜l，且在SiO2中是慢扩散的杂质，也就是说在分凝过程中杂质通过SiO2表面损失的很少，硼就是属于这类。再分布之后靠近界面处的SiO2中的杂质浓度比硅中高，硅表面附近的浓度下降。②m＜1，且在SiO2中是快扩散的杂质。因为大量的杂质通过SiO2表面跑到气体中去，杂质损失非常厉害，使SiO2中的杂质浓度比较低，但又要保证界面两边的杂质浓度比小于1，使硅表面的杂质浓度几乎降到零，在H2气氛中的硼就属于这种情况。第五十八页，共八十页，2022年，8月28日58③m＞1，且在SiO2中慢扩散的杂质。再分布之后硅表面附近的杂质浓度升高，磷就属于这种杂质。④m＞l，且在SiO2中快扩散的杂质。在这种情况下，虽然分凝系数大于1，但因大量杂质通过SiO2表面进入气体中而损失，硅中杂质只能不断地进入SiO2中，才能保持界面两边杂质浓度比等于分凝系数，最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低，镓就是属于这种类型的杂质。第五十九页，共八十页，2022年，8月28日59对于m＝1，而且也没有杂质从SiO2表面逸散的情况，热氧化过程也同样使硅表面杂质浓度降低。这是因为一个体积的硅经过热氧化之后转变为两个多体积的SiO2，由此，要使界面两边具有相等的杂质浓度(m＝1)，那么杂质必定要从高浓度硅中向低浓度SiO2中扩散，即硅中要消耗一定数量的杂质，以补偿增加的SiO2体积所需要的杂质。第六十页，共八十页，2022年，8月28日602.5.2再分布对硅表面杂质浓度的影响

Si-SiO2界面两侧的杂质浓度之比与时间是无关的，这是因为氧化层的生长速率和杂质的扩散速率均与时间的平方根成正比。再分布后的硅表面附近的杂质浓度。只与三个因素有关：杂质的分凝系数；杂质在SiO2中的扩散系数与在硅中扩散系数之比；氧化速率与杂质的扩散速率之比；

第六十一页，共八十页，2022年，8月28日612.6初始氧化阶段以及薄氧化层的生长2.6.1快速初始氧化阶段目前在ULSI工艺中，栅氧化层通常都小于30nm厚度，而D-G模型对于厚度小于30nm的干氧氧化规律是不淮确的。D-G模型对于干氧氧化的氧化速率估计偏低，却能精确地预计水汽氧化的生长速率。在700℃的温度下（低温下）进行干氧氧化时，如图，开始是一个快速氧化阶段。之后才是线性生长区。由线性部分外推到t＝0时所对应的氧化层厚度为230±30Å，而且这个值对于氧化温度在700—1200℃的范围是不随温度变化的。因而对于干氧氧化，必须先假设一个xi=230Å的初始条件，才能使模型计算的结果与实验一致。第六十二页，共八十页，2022年，8月28日62快速初始氧化阶段第六十三页，共八十页，2022年，8月28日63通过实验发现，薄氧化层的生长动力学与许多方面有关，而其中有一些参数对比较厚的氧化生长是没有影响的。影响薄氧化层生长的几个最重要方面是：①氧化之前对硅片进行化学清洗情况；②表面上亚氧化层(SiO)的形成；③溶解在衬底间隙中氧的数量。第六十四页，共八十页，2022年，8月28日642.6.2薄氧化层的制备

IC特征尺寸的减小，栅氧化层的厚度也要按比例减薄，这主要是为了防止短沟效应。如沟道长度不断减小，而厚度没有相应的按比例减薄，必然会导致阈值电压不稳定。为了使短沟效应减到最小，获得好的器件性能，按比例减薄栅氧化层厚度是十分有效的方法。在ULSI中，薄栅氧化层(＜10nm)应满足下列关键的要求：

(1)低缺陷密度；(2)好的抗杂质扩散的势垒特性；(3)具有低的界面态密度和固定电荷的高质量的Si-SiO2界面；(4)在热载流子应力和辐射条件下的稳定性：(5)低的热预算(热开销)(thermalbudget)工艺。第六十五页，共八十页，2022年，8月28日65实现上述要求的方法：1预氧化清洗硅清洗工艺的基本准则是消除表面有机物、过渡金属、碱性离子和颗粒。清洗工艺由两步组成。第一步除去硅表面的有机物玷污，第二步通过形成金属络合物除去金属玷污。为了除去在第一步中生成的氧化硅，常增加一个中间步，用稀释的HF酸漂洗。2工艺与栅氧化硅质量的关系栅氧化温度对栅氧化层质量有着重要的影响，高温氧化可得到具有较少界面态和较少固定电荷的更光滑的界面。为使栅氧化层有良好的特性和可靠性，应采用高温氧化．而高温快速热氧化更适用ULSI中的MOS器件的栅氧化层生长工艺。第六十六页，共八十页，2022年，8月28日663用化学方法改进栅氧化层化学改进的主要目的是引入可控的杂质量，借以改进界面的特性，这些特性对SiO2的性能和可靠性是至关重要的。Si-SiO2界面区由非理想配比单原子层和10-40Å厚的应变SiO2层组成．非理想配比的单原子层起因于不完全氧化，应变区起因于硅和SiO2之间的晶格的失配，引起压应力。为了改进电或辐射应力下MOS器件的可靠性，Si-SiO2界面本征应力的弛豫是一个重要技术。由于张应力存在于Si3N4-Si系统，因此掺入少量的氮可以抵消Si-SiO2界面的压应力。同样，加氟也可起到驰豫应力的作用。第六十七页，共八十页，2022年，8月28日674．CVD和叠层氧化硅为了抑制与击穿有关的氧化硅薄膜缺陷密度，淀积氧化硅是一种更好的工艺，因为淀积氧化几乎不受硅衬底缺陷的影响。这种技术可用低温工艺，对于ULSIMOS工艺非常适合。氧化叠层是由一个氧化硅垫层及其顶上的CVD氧化硅组成。叠层中的缺陷密度明显减少，是因为叠层中的各层缺陷的不重合的缘故，由于各层之间应力的补偿，使得Si-SiO2界面的应力接近零。第六十八页，共八十页，2022年，8月28日682.7Si-SiO2界面特性在SiO2内和Si-SiO2界面中有四种类型的电荷，各种不同类型的电荷的符号和术语如下：(1)单位面积里可动离子电荷：Qm(C/cm2)；(2)单位面积里氧化层固定电荷：

Qf(C/cm2)；(3)单位面积里界面陷阱电荷：

Qit(C/cm2)；(4)单位面积里氧化层陷阱电荷：

Qot(C/cm2)。第六十九页，共八十页，2022年，8月28日692.7.1可动离子电荷：Qm(C/cm2)

SiO2中最重要的可动离子电荷主要是以网络改变者形式存在的、荷正电的碱金属离子。由于Na+大量存在于环境中，因此是主要污染源。

存在于SiO2

中的Na+

，即使在低于200℃的温度下，在氧化层中也具有很高的扩散系数。由于Na是以离子的形态存在，其迁移能力因氧化层中存在电场而显著提高。因为加在MOS器件绝缘层上的电场强度很大，Na+在电场作用下，可以有显著的漂移，将对器件参数产生重要影响。为了降低Na+的玷污，可以在工艺过程中采取预防措施，包括：①使用含氯的氧化工艺；②用氯周期性地清洗管道、炉管和相关的容器；③使用超纯净的化学物质；④保证气体及气体传输过程的清洁。另外保证栅材料不受玷污也是很重要的。第七十页，共八十页，2022年，8月28日70

氧化层和栅材料中的可动离子数可以用C-V技术来测量，称为偏温测试(B-T)。过程如下：首先对MOS电容进行一次C-V测试，然后在栅极上加一个大约1MV/cm的正向偏压同时把器件加热到200~300℃。当到达预定温度时，栅极电压再维持10-30分钟，从而确保可动离子都到达了Si-SiO2界面。然后保持偏压，同时器件冷却至室温。这时再次测量C-V特性。两次测试(加温加压前和加温加压后)平带电压的变化ΔFB就等于Nm/qCox或Nmxox/qεoxε0，其中Nm

(个/cm2)为单位面积里移动离子电荷数。可动离子电荷的测量：第七十一页，共八十页，2022年，8月28日71B-T作用下的高频C-V曲线第七十二页，共八十页，2022年，8月28日722.7.2界面陷阱电荷：Qit(C/cm2)

界面态或称界面陷阱电荷Qf是指存在于Si-SiO2界面、能量处于硅禁带中、可以与价带或导带能够方便交换电荷的那些陷阱能级或电荷状态。这些界面态是分布在硅的禁带之中，因此定义每单位能量上的界面陷阱密度为Dit，单位是：个/cm2eV。如下图表示，在禁带中Dit随能量变化的两组曲线。Dit的曲线是u字形，最低的地方在禁带的中间，最高处则在禁带的两边。(111)硅在能带中间的陷阱密度大约比(100)硅要高5倍。第七十三页，共八十页，2022年，8月28日73第七十四页，共八十页，2022年，8月28日74

高于禁带中心能级的界面态，具有类受主的特性，当充满电子时，呈负电，空的时候，呈中性。低于能带中间能级的界面态，具有类施主的特性，当充满电子时，呈中性，空的时候，呈正电性。因此界面陷阱的电荷类型依赖于MOS电容的偏量条件(费米能级)。大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率，从而大大降低器件性能。解释界面态的物理机制主要有三种模型：

(1)由于硅原子周期排列的中断，在硅表面有一个键是空的，没有形成共价键．称为悬挂键。当硅氧化成为SiO2时，仍存在少量剩余的悬挂键。这些悬挂键上有一个未配对的电子，可以得失电子而表现为界面态。另一方面，在Si-SiO2过渡区中，没有完全氧化的硅原子，也是界面态重要来源。

(2)SiO2中存在着荷电中心(电离杂质)，当这