硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)

1、1. 1. 二氧化硅中的可動(dòng)離子二氧化硅中的可動(dòng)離子2. 2. 二氧化硅中的固定表面電荷二氧化硅中的固定表面電荷3. 3. 在硅在硅二氧化硅界面處的快界面態(tài)二氧化硅界面處的快界面態(tài)4.4.二氧化硅中的陷阱電荷二氧化硅中的陷阱電荷二氧化硅中的可動(dòng)離子有二氧化硅中的可動(dòng)離子有NaNa、K K、H H等，其中最主要等，其中最主要而對(duì)器件穩(wěn)定性影響最大的是而對(duì)器件穩(wěn)定性影響最大的是NaNa離子離子。來(lái)源來(lái)源：使用的試劑、玻璃器皿、高溫器材以及人體使用的試劑、玻璃器皿、高溫器材以及人體沾污等沾污等 為什么為什么SiOSiO2 2層中容易玷污這些正離子而且易于在其層中容易玷污這些正離子而且易于在其中遷移呢

2、？中遷移呢？二氧化硅結(jié)構(gòu)的基本單元是二氧化硅結(jié)構(gòu)的基本單元是一個(gè)由硅氧原子組成的四面一個(gè)由硅氧原子組成的四面體；體；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體的中心；于四面體的中心；NaNa、K K等大離子存在于四面等大離子存在于四面體之間，可以使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變體之間，可以使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變形，使二氧化硅呈現(xiàn)多孔性，形，使二氧化硅呈現(xiàn)多孔性，從而導(dǎo)致從而導(dǎo)致NaNa、K K大離子易于大離子易于在二氧化硅中遷移或擴(kuò)散。在二氧化硅中遷移或擴(kuò)散。 一般雜質(zhì)在二氧化硅擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)具有以一般雜質(zhì)在二氧化硅擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)具有以下形式下形式磷和硼的磷和硼的 值分別為值分別為 和和 而納則為而納則為

3、 由于由于NaNa的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它雜質(zhì)。根據(jù)愛(ài)的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它雜質(zhì)。根據(jù)愛(ài)因斯坦關(guān)系，擴(kuò)散系數(shù)跟遷移率成正比，故因斯坦關(guān)系，擴(kuò)散系數(shù)跟遷移率成正比，故NaNa離子在二氧化硅中的遷移率也特別離子在二氧化硅中的遷移率也特別大。大。 TkEDDa00expDscm /10326scm/100 .128scm /0 . 52雜質(zhì)激活能溫度達(dá)到溫度達(dá)到100100攝氏度以上時(shí)，攝氏度以上時(shí)，NaNa離子在電場(chǎng)作離子在電場(chǎng)作用下以較大的遷移率發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)。用下以較大的遷移率發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)。NaNa離子的漂移可以引起二離子的漂移可以引起二氧化硅層電荷分布的變化，氧化硅層電荷分布的變化，從而使從而使

4、MOSMOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性曲線發(fā)生偏移；曲線發(fā)生偏移；漂移量的大小和漂移量的大小和NaNa離子的離子的數(shù)量及其在二氧化硅層中數(shù)量及其在二氧化硅層中的腹部情況有關(guān)的腹部情況有關(guān)作偏壓作偏壓溫度實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)量二氧化硅中單溫度實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)量二氧化硅中單位面積上的位面積上的NaNa離子電荷量：離子電荷量：?jiǎn)挝粏挝幻娣e鈉離子電荷數(shù)：面積鈉離子電荷數(shù)：NaoFBQCVNaNaQNqSiO2層單位面積的電容可動(dòng)鈉離子對(duì)器件的穩(wěn)定性影響最大可動(dòng)鈉離子對(duì)器件的穩(wěn)定性影響最大 （1 1）漏電增加，擊穿性能變壞）漏電增加，擊穿性能變壞 （2 2）平帶電壓增加）平帶電壓增加如何解決鈉離子玷污的問(wèn)題如

5、何解決鈉離子玷污的問(wèn)題 （1 1）把好清潔關(guān)）把好清潔關(guān) （2 2）磷蒸汽處理）磷蒸汽處理二氧化硅層中固定電荷有如下特征二氧化硅層中固定電荷有如下特征 電荷電荷面密度是固定的面密度是固定的這些電荷位于這些電荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面20nm20nm范圍范圍以?xún)?nèi)以?xún)?nèi)固定表面電荷面密度的數(shù)值不明顯地受氧化層固定表面電荷面密度的數(shù)值不明顯地受氧化層厚度或硅中雜質(zhì)類(lèi)型以及濃度的影響厚度或硅中雜質(zhì)類(lèi)型以及濃度的影響 固定電荷面密度與氧化和退火條件，以及硅晶固定電荷面密度與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系體的取向有很顯著的關(guān)系 過(guò)剩硅離子是固定正電荷的過(guò)剩硅離子是固定正電荷

6、的來(lái)源來(lái)源這些電荷出現(xiàn)在這些電荷出現(xiàn)在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面20nm20nm范圍范圍以?xún)?nèi)，這個(gè)區(qū)以?xún)?nèi)，這個(gè)區(qū)域是域是SiOSiO2 2與硅結(jié)合的地方，極易出現(xiàn)與硅結(jié)合的地方，極易出現(xiàn)SiOSiO2 2層中的缺陷及層中的缺陷及氧化不充分而缺氧，產(chǎn)生過(guò)剩的硅離子氧化不充分而缺氧，產(chǎn)生過(guò)剩的硅離子實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)證明，若在硅晶體取向分別為證明，若在硅晶體取向分別為111111、110110和和100100三個(gè)方向生長(zhǎng)三個(gè)方向生長(zhǎng)SiOSiO2 2時(shí)，他們的硅時(shí)，他們的硅二氧化硅結(jié)構(gòu)中二氧化硅結(jié)構(gòu)中的固定表面電荷密度之比約為的固定表面電荷密度之比約為3:2:13:2:1。 將氧離子注入將氧離子

7、注入Si-SiO2Si-SiO2系統(tǒng)界面處，在系統(tǒng)界面處，在450450度進(jìn)行處度進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)固定表面電荷密度有所下降理，發(fā)現(xiàn)固定表面電荷密度有所下降將將MOSMOS結(jié)構(gòu)加上負(fù)柵偏壓進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度結(jié)構(gòu)加上負(fù)柵偏壓進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度高出鈉離子漂移溫度（高出鈉離子漂移溫度（127127度）時(shí)，這些固定的表面電荷密度）時(shí)，這些固定的表面電荷密度有所增加。度有所增加。 平帶電壓平帶電壓 單位表面積的固定單位表面積的固定正電荷數(shù)目正電荷數(shù)目 msfcFBVCQV0msFBrfcfcVVqdqQN0000CQVfcFB考慮金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)差的影響指的是在Si-SiO2界面處位于禁帶

8、中的能級(jí)或能帶。Si-SiOSi-SiO2 2系統(tǒng)中位于兩者界面處的系統(tǒng)中位于兩者界面處的界面態(tài)來(lái)自界面態(tài)來(lái)自于懸于懸掛掛鍵。不同晶面懸掛鍵密度不同，鍵。不同晶面懸掛鍵密度不同，(100)(100)面最少。面最少。硅表面的晶格缺陷和損傷，將增加懸掛鍵的密度，硅表面的晶格缺陷和損傷，將增加懸掛鍵的密度，同樣引入界面態(tài)同樣引入界面態(tài)。在硅表面處存在雜質(zhì)等也可以引。在硅表面處存在雜質(zhì)等也可以引入界面態(tài)。入界面態(tài)。這些這些界面態(tài)位于界面態(tài)位于Si-SiOSi-SiO2 2界面處，所以可以迅速地界面處，所以可以迅速地和和SiSi半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)帶或價(jià)帶交換電荷，故此稱(chēng)為半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)帶或價(jià)帶交換電荷，故此稱(chēng)為“快

9、快態(tài)態(tài)”。 界面態(tài)能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈現(xiàn)電中性，而施放了電界面態(tài)能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈現(xiàn)電中性，而施放了電子之后呈現(xiàn)正電性，稱(chēng)為施主型界面態(tài)子之后呈現(xiàn)正電性，稱(chēng)為施主型界面態(tài) 若能級(jí)空著時(shí)為電中性而被電子占據(jù)時(shí)帶上負(fù)電荷，若能級(jí)空著時(shí)為電中性而被電子占據(jù)時(shí)帶上負(fù)電荷，即稱(chēng)為受主型界面態(tài)即稱(chēng)為受主型界面態(tài) 界面態(tài)界面態(tài)能級(jí)被電子或空穴所占據(jù)的概率，與半導(dǎo)體能級(jí)被電子或空穴所占據(jù)的概率，與半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)的概率分布相同內(nèi)部的雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)的概率分布相同 界面態(tài)分為兩種：141. 電子占據(jù)施主界面態(tài)的分布函數(shù)TkEEgEfFsDsDsD0exp111)(施主界面態(tài)能值基態(tài)簡(jiǎn)并度等于215

10、TkEENEfNEnFsDssDsDssDsD0exp2111)()(單位面積上的界面態(tài)數(shù) 若界面能值為EsD，則單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為：16 若界面態(tài)能級(jí)在禁帶中連續(xù)分布，在能值E處單位能量間隔內(nèi)單位面積上的界面態(tài)數(shù)為Nss(E)，則單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為：/0exp211)(sDsDEEFssTkEEdEENn172. 電子占據(jù)受主界面態(tài)的分布函數(shù)TkEEgEfsAFsAsA0exp111)(受主界面態(tài)能值基態(tài)簡(jiǎn)并度等于4 受主界面態(tài)中的空穴數(shù)的計(jì)算方法同上。18(二) 界面態(tài)電荷隨外加偏壓VG的變化 由于某些原因(如溫度的變化，外加偏壓的變化)使半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于界面態(tài)能級(jí)的

11、位置變化時(shí)，界面態(tài)上電子填充的概率將隨之變化，因而界面態(tài)電荷也發(fā)生變化。以外加偏壓VG變化的情形來(lái)說(shuō)明。 當(dāng)外加偏壓VG變化時(shí)，由于能帶彎曲程度隨之變比，引 起EF相對(duì)于界面態(tài)能級(jí)的位置發(fā)生變化。以p型硅為例： VG0時(shí)，表面層能帶向下彎曲(如下圖)，表面處的施主和受主界面態(tài)能級(jí)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)： 當(dāng)靠近導(dǎo)帶的受主態(tài)向下移動(dòng)到EF處時(shí)，由于電子占據(jù)受主界面態(tài)，表面出現(xiàn)負(fù)的界面態(tài)附加電荷； 該負(fù)電荷也是削弱能帶彎曲程度和表面層中的負(fù)電荷； 隨VG變化，界面態(tài)中的電荷隨之改變，即界面態(tài)發(fā)生充放電效應(yīng)。2122 界面態(tài)密度在禁帶中呈“U”形連續(xù)分布 在禁帶中部，界面態(tài)密度較低；在靠近導(dǎo)帶底和價(jià)

12、帶頂處，界面態(tài)密度迅速增加，不再下降。減少界面態(tài)的方法減少界面態(tài)的方法 合理地選擇面原子密度小的晶面，合理地選擇面原子密度小的晶面，如（如（100100）晶面）晶面上生長(zhǎng)上生長(zhǎng)SiOSiO2 2，會(huì)減小未飽和，會(huì)減小未飽和的懸掛的懸掛鍵的密度，從而鍵的密度，從而使界面態(tài)密度下降使界面態(tài)密度下降 。通過(guò)通過(guò)選擇在適當(dāng)?shù)臈l件和氣氛下對(duì)選擇在適當(dāng)?shù)臈l件和氣氛下對(duì)Si-SiOSi-SiO2 2系統(tǒng)進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行退火，來(lái)降低表面態(tài)的密度行退火，來(lái)降低表面態(tài)的密度 。Si-SiOSi-SiO2 2系統(tǒng)在器件工藝，測(cè)試或應(yīng)用中常系統(tǒng)在器件工藝，測(cè)試或應(yīng)用中常常常會(huì)會(huì)受高能粒子，這些電磁輻射通過(guò)氧化層時(shí)，受高能粒子，這些電磁輻射通過(guò)氧化層時(shí)，可以可以在氧化層中產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在偏壓在氧化層中產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在偏壓作用下作用下，電子空穴對(duì)中的電子容易運(yùn)動(dòng)至，電子空穴對(duì)中的電子容易運(yùn)動(dòng)至外加外加偏置電路偏置電路形成電流，而空穴即被形成電流，而空穴即被SiOSiO2 2