氧化层击穿原理课件

1、-weekly-report-20121110氧化层破坏原理研究、轮廓、1 .氧化硅的结构和性质2. Si-SiO2系3 .氧化硅的破坏模型4 .检测氧化硅的质量的方法、1 .氧化硅的结构和性质、(1) 氧化硅结构二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构的基本单元是由Si-O原子构成的正四面体，硅原子在正四面体的中心，氧原子在四个角的顶点，两个相邻的四面体由一个桥结合氧原子结合构成不规则的二维网络结构。 非晶硅膜与石英结晶不同，石英结晶的结构从Si-O正四面体基本单元向三维空间延伸，可以看作是周期性重复排列的结果，其特征是“长有序”。 二氧化硅从整体上看，原子的排列混乱，不规则，即“长的路是无序的”，

2、但从局部上看，原子的排列不是完全混乱的，而是有一定的规则，即“短距离秩序”。 1 .氧化硅的结构和性质，图1的由Si-O组成的正四面体，图2的长有序石英晶体，1 .氧化硅的结构和性质，在二氧化硅网络中，氧离子起到连接Si-O四面体的作用，存在两种不同的状态桥结合氧和非桥结合氧。 两个硅原子共有的氧离子叫做桥氧，只与一个硅原子连接的氧离子叫做非桥氧。 二氧化硅网络的强度与桥键氧和非桥键氧的比例有关。 桥键氧越少，非桥键氧越多，二氧化硅网络的结构越稀疏。 因为非交联键氧只有一个Si-O键，所以可以接收一个电子来维持8个电子外侧的稳定结构，所以各个非交联键氧实际上是陷阱。 氧化硅网络也存在2种硅离子

3、，一种是外层电子结构稳定的硅离子，另一种是键不饱和的硅离子。 载流子通过氧化硅的过程中，起到了陷阱的作用。 1、氧化硅的结构和性质，(2)本征氧化硅和非本征氧化硅在理想条件下，在氧化硅的生长过程中没有杂质污垢，在单晶硅表面形成了仅硅和氧而没有其他元素的本征氧化硅薄膜，其二维网络结构如图1所示。 但是，实际上，这种理想情况并不存在，任何热氧化过程都存在一定程度的杂质污染，带该杂质的非晶硅被称为非本征二氧化硅。 二氧化硅中的杂质在电中性的情况下，仅占据网络中的空穴的位置，而不影响二氧化硅的电特性。 杂质被离子化后，会对二氧化硅的电性能产生显着的影响。 另外，实验证明二氧化硅中的大部分杂质被离子化，

4、大部分作为正离子存在于网络中。 1、氧化硅的结构和性质、图3的本征氧化硅和非本征氧化硅的二维网络、1 .氧化硅的结构和性质、(3)网络形成剂和网络调节剂混合的电离杂质，根据在氧化硅网络中的位置和作用，分为两种。 像铝这样的少数杂质同时具有两种作用。 在硅-氧四面体中，形成网络代替硅原子的杂质，也被称为网络形成剂，也被称为置换型杂质。 常见的网络形成剂有硼、磷、锑等正离子，其特征是离子半径接近或小于Si原子半径。 表1的二氧化硅中重要的杂质离子半径，1 .二氧化硅的结构和性质，二氧化硅网络中，硅的价数为4，配位数为(中心离子周围的配位原子的数) 4，网络形成剂的价数与硅不同，配位数也不同。 取代

5、硅原子的位置，其配位数也发生变化。 例如B2O3中的硼(B3 )的配位数为3，取代硅原子时b的配位数从3变为4，结果引起二氧化硅中的缺氧状态，网络中的非交联键氧离子浓度减少，二氧化硅膜的强度增大。 导入磷(P5 )后，其配位数从5变为4，结果，变成二氧化硅中的氧残留的状态，网络中的非交联键氧离子浓度增大，二氧化硅膜的强度变弱。1 .硅氧化物的结构和性质、Si-O四面体网络的空隙中的杂质被称为网络调节剂，也称为间隙式杂质。 最常见的网络调节剂是Na、k、Pb、Ca、Ba等正离子，其特征是离子半径大。 这种杂质多以氧化物的形式混入二氧化硅膜中，离子化后，杂质正离子占网络空隙的位置，氧离子进入网络，

6、一个桥结合氧出现两个非桥结合氧。 例如Na2O的导入反应，由于非交联键氧浓度增大，在二氧化硅的网络上形成很多孔，结构强度弱，熔点降低。 并且，这种杂质因外部电场和温度而在二氧化硅中移动，影响装置的稳定性和可靠性。 1、氧化硅的结构和性质、SiO2层中的动离子电荷主要指污染引入的钠、钾、氢等正离子，其中最重要的是Na离子。 在不进行温度偏压(BT )处理之前，Na大多集中在SiO2和金属界面接近金属的陷阱中，对硅表面的性质不太影响。 在正BT处理后(温度一般为150200)，这些Na被激活，离开陷阱，在SiO2网络的空穴间移动到Si-SiO2界面，Si-SiO2界面几乎集中在接近硅侧的SiO2层

7、，在Si表面诱发负电荷另外，会导致SiO2的早期破坏，降低SiO2层的介电强度。 进行负的BT处理的话，可以把Na离子驱动到金属和SiO2界面上。 2. Si-SiO2系统，在理想的体下由扩散炉生长的氧化层的结构应如图所示。 氧化硅内部和Si-SiO2界面没有扭曲的结合和结合，也没有悬挂键和杂质离子。 没有陷阱，也没有接口。 图4的理想的Si-SiO2系统、2. Si-SiO2系统、实际的Si-SiO2系统存在硅悬挂键和氧悬挂键，在氧化硅的体内和界面上构成了陷阱和界面状态。 另外，存在杂质离子、湿氧氧化、合金化的工艺中导入的h原子、离子，这些陷阱捕获通过氧化硅的载流子。 图5的实际Si-SiO

8、2系统、2. Si-SiO2系统、(1)Si悬挂键结构是当硅悬挂键出现在Si/SiO2界面上时，一般所说的界面状态的源。 硅的悬挂键出现在一般说的过渡层上时，成为固定氧化物电荷的源。 因为硅的热氧化过程中过剩的氧原子向内移动，所以在Si-SiO2界面附近的氧化物中一定存在硅的过剩，等待与氧反应，氧化结束后，这些硅离子被固定，产生正电荷。 当然氧化硅内部也存在Si的悬挂键结构。 图6的Si悬挂键结构、2. Si-SiO2系统、(2)Si-Si弱键和氧空穴结构因氧的缺陷而使SiO2的硅四面体中的硅和基板硅相互作用，换句话说，有悬挂键的硅原子和SiO2中的Si为Si 图7 Si-Si弱键结构、2.

9、Si-SiO2系统、(3)Si-O弱键结构是由于表面硅原子和硅氧四面体中的氧原子的相互作用距离长，硅和氧的相互作用弱而形成的结构。 换句话说，带悬挂键的硅原子和SiO2中的o形成Si-O弱键，在硅的禁带出现局部的电子状态。 图8 Si-O弱键结构、2. Si-SiO2系统、(4)非交联键氧(氧悬挂键)结构(5)界面和氧化硅内部的硅悬挂键束缚了杂质原子结构，例如h、OH等。 图9的氧悬挂键结构，图10的硅悬挂键为杂质原子饱和，2. Si-SiO2系，氧化硅内部的硅悬挂键和氧悬挂键实际上是氧化硅中的陷阱，界面的硅悬挂键和Si-O 这些陷阱反映了氧化硅结构的损伤，同时具有捕获和释放载流子的性质。 陷

10、阱的这两个特性允许我们通过电测试研究氧化硅结构的损伤。以上所述的这些物理结构的陷阱在捕获载流子后，与杂质离子一起形成了Si-SiO2系的几个电荷、SiO2层中的可动离子电荷、固定氧化物电荷、界面陷阱电荷、氧化物陷阱电荷。 另外，还存在SiO2层外表面的正负离子电荷。 2. Si-SiO2系列、图11 Si-SiO2系列中的电荷、3 .氧化硅的破坏模型、(1)施加于氧化硅的电压Vox施加于氧化硅的电压Vox与施加于我们测量的栅极的电压Vg实质上不同。 栅极电压Vg除了一部分下降到氧化层之外，一部分下降到半导体的表面电势s，一部分补偿多晶硅和衬底单晶硅的功函数ms之外，一部分抵消了陷阱电荷的影响(

11、可以忽略该部分)。 初始状态，即初次对MOS电容施加电应力时，栅极电压Vg，若对半导体施加外部电场，则在半导体表面感应屏蔽外部电场的表面电荷层，表面电荷层根据外部电场分为存储层、耗尽层、逆型层三种。 在产生可测量的fn后流过电流的情况下，可以认为半导体表面实际上只存在蓄积层和反型层两种。 另外，为了简单起见，暂时忽略ms的影响。 3、氧化硅的破坏模型、(a )、(b )、(c )、(d )、3 .氧化硅的破坏模型、(2)氧化硅中的电子的通过以n poly-SiO2-Si结构为例，在硅和氧化硅之间形成的势垒高度b=3.25V， 当以一定的栅极电压Vg施加到MOS电容氧化层的电压Voxb时，电子形

12、成通过三角势垒注入到SiO2的传导带的可测定的Fowler-Nordheim隧道电流，Vox5nm，隧道概率小，直接隧道电流可以忽略。 图13 F-N隧道模式图和直接隧道模式图，3 .氧化硅的破坏模型，如果不考虑镜力对势垒高度的影响，则电流密度和电场强度的关系表示为其中与电极和介质的功函数相关的常数。 3、氧化硅的破坏模型，(3)电子在氧化层中被输送发生陷阱，通过F-N隧道注入的电子被氧化硅电场“加热”，得到比氧化层导带底部更高的动能。 通过氧化层后，电子撞击晶格放出能量。 每个步骤对应于碰撞事件，或者是灵活性或非灵活性。 放出能量后，Si-O键会被切断，可能会发生陷阱。 图14的电子在氧化层

13、中的输送，3 .氧化硅的破坏模型，电场为513MV/cm时，电子到达阳极时的能量一般在49eV的范围。 界面状态和陷阱的发生，实际上是在氧化硅的结构被损害后，以电气方式表现出来的。 高能电子破坏Si-O键时，若将o替换为x，则可能有几种形式表示杂质离子(x )和Si形成的键被电子破坏的过程。 如果电子的能量大于Si-O的结合能4.25eV，且与晶格碰撞后发射的能量大于4.25eV，则氧化硅的破坏模型根据上述方程式产生硅悬空键或氧悬空键。 硅悬挂键和氧悬挂键可以捕获一个电子，并表现出陷阱的行为，以获得稳定的8个电子的外层结构。 能量在9eV以上的电子也可以通过碰撞电离激发电子空穴对。 如果是Si

14、-X结合，其结合能一般比Si-O结合能小，容易受到电子的破坏。 电子放出的能量不足以破坏Si-O键的话，放出的能量会使Si-O键扭曲，也有可能形成Si-O和Si-Si弱键。 另外，在氧化硅中，存在着施加电应力之前存在的硅的悬挂键、氧悬挂键、Si-O或Si-Si的弱键，被之后的电子碰撞破坏。 大量电子通过氧化硅时，引起陷阱的行为是随机的，氧化硅中的陷阱分布是随机的。 3、氧化硅的破坏模型，(4)产生空穴电流的电子到达阳极时，能量向界面的晶格释放，破坏Si-O键，产生界面状态。一部分电子将得到的能量释放到阳极界面侧的硅中的价带的电子，为了在导带底部激发，产生的“热”空穴通过电场穿过氧化层。 (5)

15、由陷阱捕获载流子和在氧化硅中输送的电子和空穴的释放被不断发生的陷阱和现有的陷阱捕获，形成陷阱电荷。 陷阱内的电子和空穴也有可能与输送载体碰撞而放出。 3 .氧化硅的破坏模型、 氧化硅中的载流子行为：1.从电子陷阱向氧化硅的导带隧道电子；2 .从电子陷阱向硅的导带隧道电子；3 .导带中的电子发射能量将电子陷阱中的电子激发至氧化硅的导带；4 .电子在阳极界面上能从硅的价电子带向硅的导带激发电子，同时产生空穴5 .能量大于9eV的电子碰撞产生电子空穴对6 .电子发射能破坏Si-H键，使h离子向阴极运动，图15的载流子在氧化硅中的列举3 .氧化硅的破坏模型、7 .电子被电子陷阱捕获的8 .电子陷阱发射

16、电子9 .空穴和电子陷阱中的电子复合10 .电子陷阱发射空穴11 .产生的空穴被空穴陷阱捕获的12 .空穴陷阱发射空穴13 .电子和正图15的载流子在氧化硅中的行为、3 .氧化硅的破坏模型、(6)氧化硅的破坏电子在氧化硅中输送时发生陷阱，破坏氧化硅的结构。 随着时间的延长，流过氧化层的电子数量增加，随机产生的陷阱增加，两个陷阱接触时，形成大的陷阱。 如果设陷阱半径为r，则如果两个陷阱间的距离小于2r，则陷阱彼此会碰撞。 由于随机产生的陷阱相互构成的大缺陷，形成从一个界面到另一个界面的通路时，氧化层的电容放电被破坏，导致不能恢复的损伤。 由于陷阱的随机性，破坏时在氧化硅上被破坏的地方不仅在一处，

17、在很多地方都被破坏。 图16的SiO2破坏示意图、3 .氧化硅的破坏模型，相对于氧化硅，单位体积内的Si-O键的密度一定，因此，在某厚度的氧化硅中，破坏前被破坏的Si-O键的数量一定，能产生的陷阱密度一定，氧化硅的强度为氧化硅氧化硅的厚度越大，形成缺陷链所需的陷阱数越多，但厚度变大，电子在氧化硅中移动的距离变长，受到晶格碰撞的概率变高。 因此，氧化硅的寿命是上述两个过程竞争的结果。 3、氧化硅的破坏模型、(7)氧化硅被破坏的结构氧化硅被破坏之后形成于氧化硅内的沟道，从带的观点来看，认为在氧化硅中形成几个子带，由于陷阱的随机性，导致氧化硅的然而，如果形成子带，则必定与硅形成一定的势垒b。 根据热电子发射电流的公式，在I-V曲线中应该表现为二极管的特性。 图17破坏后的带图、4 .测定氧化硅的质量的方法、(1)CV测定作为测定电性能的方法被广泛使用。 用高频CV、低频CV、准静态CV测量了MOS电容的界面能级密度及其能谱、氧化层中的固定电荷和可动电荷面密度。 (2)电荷泵法和深能