氧化层击穿原理-ppt课件.ppt(36页)
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1、任娜-WEEKLY-REPORT-20121110氧化层击穿原理研究1P P T 课 件Outline1. 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2ppt课件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
2、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”。3ppt课件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4ppt课件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
3、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。5ppt课件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
4、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。6ppt课件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7ppt课件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
5、 二氧化硅中重要的杂质离子半径8ppt课件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。9ppt课件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
6、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。10ppt课件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
7、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150200),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,可把Na+离子驱至金属和SiO2界面。11ppt课件2. Si-SiO2系统理想状体下由扩散炉生长的氧化层的结构应该如图所示。在氧化硅内部和Si-SiO2界面没有扭曲
8、的键或断键,也没有悬挂键,或者杂质离子。也就是没有陷阱和界面态。图4 理想Si-SiO2系统12ppt课件2. Si-SiO2系统实际的Si-SiO2系统存在着硅悬挂键和氧悬挂键,在氧化硅体内和界面构成了陷阱和界面态。此外,还存在着杂质离子以及由于湿氧氧化和合金化工艺时引入的H原子或离子,这些陷阱会俘获通过氧化硅的载流子。图5 实际的Si-SiO2系统13ppt课件2. Si-SiO2系统(1)Si悬挂键结构当硅悬挂键出现在Si/SiO2界面时,就是人们通常所说的界面态的来源。当硅悬挂键出现在通常所说的过渡层时,就是固定氧化物电荷的来源。因为硅的热氧化过程是由于过剩的氧原子向内运动形成的,在近
9、于Si-SiO2界面的氧化物中必然存在着硅的过剩,等待着与氧进行反应,当氧化终止时,这些硅离子固定下来而产生正电荷。当然在氧化硅内部也存在着Si悬挂键结构。图6 Si悬挂键结构14ppt课件2. Si-SiO2系统(2)Si-Si弱键和氧空位结构由于氧的缺位使SiO2的硅氧四面体中的硅与衬底硅相互作用,换种说法就是有悬挂键的硅原子与SiO2中的Si形成Si-Si弱键,从而使硅的禁带中出现局域的电子态,这也是界面态的一种。图7 Si-Si弱键结构15ppt课件2. Si-SiO2系统(3)Si-O弱键结构由于表面硅原子与硅氧四面体中的氧原子相互作用距离拉长,硅与氧之间相互作用较弱而形成的结构。换
10、种说法就是有悬挂键的硅原子与SiO2中的O形成了Si-O弱键,从而使硅的禁带中出现局域的电子态。图8 Si-O弱键结构16ppt课件2. Si-SiO2系统(4)非桥键氧(氧悬挂键)结构(5)在界面和氧化硅内部的硅悬挂键上束缚着杂质原子结构,比如H、OH等。图9 氧悬挂键结构图10 硅悬挂键为杂质原子饱和17ppt课件2. Si-SiO2系统氧化硅内部的硅悬挂键和氧悬挂键实际上就是氧化硅中的陷阱,而界面处的硅悬挂键和Si-Si、Si-O弱键实际上就是界面陷阱。这些陷阱反应了氧化硅结构的损坏,而同时又具有俘获和释放载流子的性质,正是因为陷阱的这两个特性,使我们可以通过电学测试研究氧化硅结构的损伤
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