硅-二氧化硅系统的性质

1.二氧化硅中的可动离子2.二氧化硅中的固定表面电荷3.在硅二氧化硅界面处的快界面态4.二氧化硅中的陷阱电荷,8.4Si-SiO2系统的性质,二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是Na离子。来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等为什么SiO2层中容易玷污这些正离子而且易于在其中迁移呢？,8.4.1二氧化硅中的可动离子,二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体；磷、硼等常以替代位形式居于四面体的中心；Na、K等大离子存在于四面体之间，可以使网络结构变形，使二氧化硅呈现多孔性，从而导致Na、K大离子易于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下形式磷和硼的值分别为和而纳则为由于Na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Na离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。,杂质激活能,温度达到100摄氏度以上时，Na离子在电场作用下以较大的迁移率发生迁移运动。,Na离子的漂移可以引起二氧化硅层电荷分布的变化，从而使MOS结构的C-V特性曲线发生偏移；漂移量的大小和Na离子的数量及其在二氧化硅层中的腹部情况有关,作偏压温度实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的Na离子电荷量：单位面积钠离子电荷数：,SiO2层单位面积的电容,可动钠离子对器件的稳定性影响最大（1）漏电增加，击穿性能变坏（2）平带电压增加如何解决钠离子玷污的问题（1）把好清洁关（2）磷蒸汽处理,二氧化硅层中固定电荷有如下特征电荷面密度是固定的这些电荷位于Si-SiO2界面20nm范围以内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,8.4.2二氧化硅中的固定表面电荷,过剩硅离子是固定正电荷的来源这些电荷出现在Si-SiO2界面20nm范围以内，这个区域是SiO2与硅结合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子实验证明，若在硅晶体取向分别为111、110和100三个方向生长SiO2时，他们的硅二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为3:2:1。将氧离子注入Si-SiO2系统界面处，在450度进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降将MOS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（127度）时，这些固定的表面电荷密度有所增加。,平带电压,单位表面积的固定正电荷数目,考虑金属和半导体功函数差的影响,指的是在Si-SiO2界面处位于禁带中的能级或能带。Si-SiO2系统中位于两者界面处的界面态来自于悬挂键。不同晶面悬挂键密度不同，(100)面最少。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。在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态。这些界面态位于Si-SiO2界面处，所以可以迅速地和Si半导体内导带或价带交换电荷，故此称为“快态”。,8.4.3在Si-SiO2界面处的快界面态,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界面态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,界面态分为两种：,14,1.电子占据施主界面态的分布函数,施主界面态能值,基态简并度等于2,15,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：,17,2.电子占据受主界面态的分布函数,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。,21,22,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；在靠近导带底和价带顶处，界面态密度迅速增加，不再下降。,减少界面态的方法合理地选择面原子密度小的晶面，如（100）晶面上生长SiO2，会减小未饱和的悬挂键的密度，从而使界面态密度下降。通过选择在适当的条件和气氛下对Si-SiO2系统进行退火，来降低表面态的密度。,Si-SiO2系统在器件工艺，测试或应用中常常会受高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，可以在氧化层中产生电子空穴对。在偏压作用下，电子空穴对中的电子容易运动至外加偏置电路形成电流，而空穴即被SiO2层