氧化层击穿原理.pptVIP

任娜-weekly-report氧化层击穿原理研究 Outline 1. 氧化硅的结构和性质 2. Si-SiO2系统 3. 氧化硅的击穿模型 4. 检测氧化硅质量的方法 1. 氧化硅的结构和性质 （1）二氧化硅的结构 二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络结构。 无定形二氧化硅膜不同于石英晶体，石英晶体的结构可看成是由Si-O正四面体基本单元向三维空间不断延伸、周期重复排列的结果，其特点是“长程有序”。 而二氧化硅从整体上看，原子的排列是混乱的，不规则的，即“长程无序”，但从局部看，原子的排列并非完全杂乱，而是有一定规则，即“短程有序”。 1. 氧化硅的结构和性质 图1 Si-O组成的正四面体 图2 长程有序的石英晶体 1. 氧化硅的结构和性质 在二氧化硅网络中，氧离子起着连接Si-O四面体的作用，并且存在着两种不同的状态——桥键氧和非桥键氧。 为两个硅原子所共有的氧离子称为桥键氧，只同一个硅原子相连接的氧离子称为非桥键氧。 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，则二氧化硅网络的结构越疏松。 因为非桥键氧只有一个Si-O键，它还可以接受一个电子，以维持八个电子的外层稳定结构，因此每一个非桥键氧实际上就是一个陷阱。 在氧化硅网络中也存在着两种硅离子，一种是外层电子结构稳定的硅离子，另一种是有一个键不饱和的硅离子。在载流子通过氧化硅的过程中，它们都起到了陷阱的作用。 1. 氧化硅的结构和性质 （2）本征二氧化硅和非本征二氧化硅 在理想的条件下，二氧化硅的生长过程中不存在任何杂质的沾污，在单晶硅表面将形成仅有硅和氧而无其它元素的本征二氧化硅薄膜，其二维网络结构如图1所示。 然而实际上这种理想情况是不存在的，任何热氧化过程都存在不同程度的杂质沾污，这种带杂质的无定形二氧化硅称为非本征二氧化硅。 二氧化硅中的杂质，如果是电中性的，则它只占据网络中孔洞的位置，对二氧化硅的电特性没有影响。如果杂质已被电离，则会显著的影响二氧化硅的电性能。而实验证明，二氧化硅中杂质绝大部分是被电离的，且多数以正离子的形式存在于网络中。 1. 氧化硅的结构和性质 图3 本征二氧化硅 和非本征二氧化硅的二维网络 1. 氧化硅的结构和性质 （3）网络形成剂和网络调节剂 掺入的电离杂质，按其在二氧化硅网络中的位置和作用，可以分为两类：网络形成剂和网络调节剂。有少数杂质（如铝）两种作用都具备。 在硅-氧四面体中可以取代硅原子并形成网络的一种杂质，称为网络形成剂，又称为替位式杂质。常见的网络形成剂有硼、磷、锑等正离子，它们的特点是离子半径与Si原子的半径相近或更小。 表1 二氧化硅中重要的杂质离子半径 1. 氧化硅的结构和性质 在二氧化硅网络中，硅的化合价是4，配位数为（中心离子周围配位原子的数目）4，而网络形成剂的化合价与硅不同，配位数也不一样。当它们替代硅原子的位置后，其配位数也发生变化。 例如硼（B3+）在B2O3中配位数为3，替代硅原子后B的配位数将由3变为4，结果造成二氧化硅中缺氧状态，使网络中非桥键氧离子浓度减少，二氧化硅膜的强度增大。 磷（P5+）掺入后，其配位数由5变为4，结果造成二氧化硅中剩氧状态，使网络中非桥键氧离子浓度增大，二氧化硅膜的强度减弱。 1. 氧化硅的结构和性质 处于Si-O四面体网络空隙中孔洞位置的那一类杂质，称为网络调节剂，又称为间隙式杂质。最常见的网络调节剂有Na、K、Pb、Ca、Ba等正离子，其特点是离子半径较大。这类杂质多以氧化物的形式掺入二氧化硅膜，电离后，杂质正离子将占据网络空隙位置，而氧离子进入网络，使得在一个桥键氧处出现两个非桥键氧。例如Na2O的掺入反应为： 由于非桥键氧浓度增大，二氧化硅网络中出现更多的孔洞，使结构强度减弱、熔点降低。而且这类杂质在外电场和温度的作用下，会在二氧化硅中运动，影响器件稳定性和可靠性。 1. 氧化硅的结构和性质 SiO2层中的可动离子电荷主要就是指由于沾污而引入的钠、钾、氢等正离子，其中最主要的是Na离子。 在未进行温度偏压（BT）处理前， Na+大多数集中在SiO2与金属界面靠近金属的陷阱内，对硅表面性质影响不大。 在正BT处理后（温度一般为150~200℃），这些Na+可以被激活而离开陷阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在Si- SiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压不稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。 而进行负BT处理，