硅-二氧化硅系统的性质

nsD ( E sD ) N s f sD ( EsD ) 1 Ns E sD E F 1 1 exp kT 2 0 单位面积上
的界面态数

15
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：


源自文库
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
Ea D0 D exp kT 0
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

1. 电子占据施主界面态的分布函数
1 f sD ( EsD ) EsD E F 1 1 exp kT g 0 施主界面
态能值 基态简并 度等于2

14
若界面能值为EsD，则单位面积界面态上的电子数为：
度等于4
受主界面态中的空穴数的计算方法同上。
17
(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： VG<0时，表面层能带向上弯曲，表面处的施主和受主界面 态能级相对于费米能级向上移动： 当靠近价带的施主态的位置移动到EF以上时，大部分施主 态未被电子占据，将显示正电性，因此出现正的界面态附 加电荷； 该正电荷将补偿部分金属电极上负电荷的作用，削弱表面



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 外加偏臵电路形成电流，而空穴即被SiO2层 中的陷阱陷落而运动不到电极中去，那么氧 化层就带上了正电荷，这就是陷阱电荷。 Si－SiO2系统C-V特性向负偏压方向平移而出 现平带电压 陷阱电荷在惰性气体中，在300度以上进行低 温退火，可以很快消除
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：
QNa Co VFB
SiO2层单位
面积的电容
单位面积钠离子电荷数：
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”。


界面态分为两种：


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
18
19
层中能带的弯曲及空穴的堆积； VG>0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。

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



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？
20
21
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。
22
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 。
杂质激活能


磷和硼的 D 值分别为 3 10 6 cm2 / s 和1.0 108 cm2 / s 而纳则为 5.0cm2 / s 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。

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。
N Na
QNa q


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
n
/ E sD
E sD
N ss ( E )dE E EF 1 1 exp kT 2 0

16
2. 电子占据受主界面态的分布函数
1 f sA ( EsA ) EF EsA 1 1 exp kT g 0 受主界面
态能值 基态简并
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
VFB
Q fc C0
考虑金属和半导体功 函数差的影响 Q fc VFB Vms C0 单位表面积的固定 正电荷数目
N fc
Q fc q

r 0 0
qd0
VFB Vms

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。