1、-weekly-report-20121110氧化層破壞原理研究、輪廓、1 .氧化硅的結構和性質2. Si-SiO2系3 .氧化硅的破壞模型4 .檢測氧化硅的質量的方法、1 .氧化硅的結構和性質、(1) 氧化硅結構二氧化硅薄膜具有無定形玻璃狀結構的基本單元是由Si-O原子構成的正四面體，硅原子在正四面體的中心，氧原子在四個角的頂點，兩個相鄰的四面體由一個橋結合氧原子結合構成不規(guī)則的二維網絡結構。 非晶硅膜與石英結晶不同，石英結晶的結構從Si-O正四面體基本單元向三維空間延伸，可以看作是周期性重復排列的結果，其特征是“長有序”。 二氧化硅從整體上看，原子的排列混亂，不規(guī)則，即“長的路是無序的”，

2、但從局部上看，原子的排列不是完全混亂的，而是有一定的規(guī)則，即“短距離秩序”。 1 .氧化硅的結構和性質，圖1的由Si-O組成的正四面體，圖2的長有序石英晶體，1 .氧化硅的結構和性質，在二氧化硅網絡中，氧離子起到連接Si-O四面體的作用，存在兩種不同的狀態(tài)橋結合氧和非橋結合氧。 兩個硅原子共有的氧離子叫做橋氧，只與一個硅原子連接的氧離子叫做非橋氧。 二氧化硅網絡的強度與橋鍵氧和非橋鍵氧的比例有關。 橋鍵氧越少，非橋鍵氧越多，二氧化硅網絡的結構越稀疏。 因為非交聯鍵氧只有一個Si-O鍵，所以可以接收一個電子來維持8個電子外側的穩(wěn)定結構，所以各個非交聯鍵氧實際上是陷阱。 氧化硅網絡也存在2種硅離子

3、，一種是外層電子結構穩(wěn)定的硅離子，另一種是鍵不飽和的硅離子。 載流子通過氧化硅的過程中，起到了陷阱的作用。 1、氧化硅的結構和性質，(2)本征氧化硅和非本征氧化硅在理想條件下，在氧化硅的生長過程中沒有雜質污垢，在單晶硅表面形成了僅硅和氧而沒有其他元素的本征氧化硅薄膜，其二維網絡結構如圖1所示。 但是，實際上，這種理想情況并不存在，任何熱氧化過程都存在一定程度的雜質污染，帶該雜質的非晶硅被稱為非本征二氧化硅。 二氧化硅中的雜質在電中性的情況下，僅占據網絡中的空穴的位置，而不影響二氧化硅的電特性。 雜質被離子化后，會對二氧化硅的電性能產生顯著的影響。 另外，實驗證明二氧化硅中的大部分雜質被離子化，

4、大部分作為正離子存在于網絡中。 1、氧化硅的結構和性質、圖3的本征氧化硅和非本征氧化硅的二維網絡、1 .氧化硅的結構和性質、(3)網絡形成劑和網絡調節(jié)劑混合的電離雜質，根據在氧化硅網絡中的位置和作用，分為兩種。 像鋁這樣的少數雜質同時具有兩種作用。 在硅-氧四面體中，形成網絡代替硅原子的雜質，也被稱為網絡形成劑，也被稱為置換型雜質。 常見的網絡形成劑有硼、磷、銻等正離子，其特征是離子半徑接近或小于Si原子半徑。 表1的二氧化硅中重要的雜質離子半徑，1 .二氧化硅的結構和性質，二氧化硅網絡中，硅的價數為4，配位數為(中心離子周圍的配位原子的數) 4，網絡形成劑的價數與硅不同，配位數也不同。 取代

5、硅原子的位置，其配位數也發(fā)生變化。 例如B2O3中的硼(B3 )的配位數為3，取代硅原子時b的配位數從3變?yōu)?，結果引起二氧化硅中的缺氧狀態(tài)，網絡中的非交聯鍵氧離子濃度減少，二氧化硅膜的強度增大。 導入磷(P5 )后，其配位數從5變?yōu)?，結果，變成二氧化硅中的氧殘留的狀態(tài)，網絡中的非交聯鍵氧離子濃度增大，二氧化硅膜的強度變弱。1 .硅氧化物的結構和性質、Si-O四面體網絡的空隙中的雜質被稱為網絡調節(jié)劑，也稱為間隙式雜質。 最常見的網絡調節(jié)劑是Na、k、Pb、Ca、Ba等正離子，其特征是離子半徑大。 這種雜質多以氧化物的形式混入二氧化硅膜中，離子化后，雜質正離子占網絡空隙的位置，氧離子進入網絡，

6、一個橋結合氧出現兩個非橋結合氧。 例如Na2O的導入反應，由于非交聯鍵氧濃度增大，在二氧化硅的網絡上形成很多孔，結構強度弱，熔點降低。 并且，這種雜質因外部電場和溫度而在二氧化硅中移動，影響裝置的穩(wěn)定性和可靠性。 1、氧化硅的結構和性質、SiO2層中的動離子電荷主要指污染引入的鈉、鉀、氫等正離子，其中最重要的是Na離子。 在不進行溫度偏壓(BT )處理之前，Na大多集中在SiO2和金屬界面接近金屬的陷阱中，對硅表面的性質不太影響。 在正BT處理后(溫度一般為150200)，這些Na被激活，離開陷阱，在SiO2網絡的空穴間移動到Si-SiO2界面，Si-SiO2界面幾乎集中在接近硅側的SiO2層

7、，在Si表面誘發(fā)負電荷另外，會導致SiO2的早期破壞，降低SiO2層的介電強度。 進行負的BT處理的話，可以把Na離子驅動到金屬和SiO2界面上。 2. Si-SiO2系統(tǒng)，在理想的體下由擴散爐生長的氧化層的結構應如圖所示。 氧化硅內部和Si-SiO2界面沒有扭曲的結合和結合，也沒有懸掛鍵和雜質離子。 沒有陷阱，也沒有接口。 圖4的理想的Si-SiO2系統(tǒng)、2. Si-SiO2系統(tǒng)、實際的Si-SiO2系統(tǒng)存在硅懸掛鍵和氧懸掛鍵，在氧化硅的體內和界面上構成了陷阱和界面狀態(tài)。 另外，存在雜質離子、濕氧氧化、合金化的工藝中導入的h原子、離子，這些陷阱捕獲通過氧化硅的載流子。 圖5的實際Si-SiO

8、2系統(tǒng)、2. Si-SiO2系統(tǒng)、(1)Si懸掛鍵結構是當硅懸掛鍵出現在Si/SiO2界面上時，一般所說的界面狀態(tài)的源。 硅的懸掛鍵出現在一般說的過渡層上時，成為固定氧化物電荷的源。 因為硅的熱氧化過程中過剩的氧原子向內移動，所以在Si-SiO2界面附近的氧化物中一定存在硅的過剩，等待與氧反應，氧化結束后，這些硅離子被固定，產生正電荷。 當然氧化硅內部也存在Si的懸掛鍵結構。 圖6的Si懸掛鍵結構、2. Si-SiO2系統(tǒng)、(2)Si-Si弱鍵和氧空穴結構因氧的缺陷而使SiO2的硅四面體中的硅和基板硅相互作用，換句話說，有懸掛鍵的硅原子和SiO2中的Si為Si 圖7 Si-Si弱鍵結構、2.

9、Si-SiO2系統(tǒng)、(3)Si-O弱鍵結構是由于表面硅原子和硅氧四面體中的氧原子的相互作用距離長，硅和氧的相互作用弱而形成的結構。 換句話說，帶懸掛鍵的硅原子和SiO2中的o形成Si-O弱鍵，在硅的禁帶出現局部的電子狀態(tài)。 圖8 Si-O弱鍵結構、2. Si-SiO2系統(tǒng)、(4)非交聯鍵氧(氧懸掛鍵)結構(5)界面和氧化硅內部的硅懸掛鍵束縛了雜質原子結構，例如h、OH等。 圖9的氧懸掛鍵結構，圖10的硅懸掛鍵為雜質原子飽和，2. Si-SiO2系，氧化硅內部的硅懸掛鍵和氧懸掛鍵實際上是氧化硅中的陷阱，界面的硅懸掛鍵和Si-O 這些陷阱反映了氧化硅結構的損傷，同時具有捕獲和釋放載流子的性質。 陷

10、阱的這兩個特性允許我們通過電測試研究氧化硅結構的損傷。以上所述的這些物理結構的陷阱在捕獲載流子后，與雜質離子一起形成了Si-SiO2系的幾個電荷、SiO2層中的可動離子電荷、固定氧化物電荷、界面陷阱電荷、氧化物陷阱電荷。 另外，還存在SiO2層外表面的正負離子電荷。 2. Si-SiO2系列、圖11 Si-SiO2系列中的電荷、3 .氧化硅的破壞模型、(1)施加于氧化硅的電壓Vox施加于氧化硅的電壓Vox與施加于我們測量的柵極的電壓Vg實質上不同。 柵極電壓Vg除了一部分下降到氧化層之外，一部分下降到半導體的表面電勢s，一部分補償多晶硅和襯底單晶硅的功函數ms之外，一部分抵消了陷阱電荷的影響(

11、可以忽略該部分)。 初始狀態(tài)，即初次對MOS電容施加電應力時，柵極電壓Vg，若對半導體施加外部電場，則在半導體表面感應屏蔽外部電場的表面電荷層，表面電荷層根據外部電場分為存儲層、耗盡層、逆型層三種。 在產生可測量的fn后流過電流的情況下，可以認為半導體表面實際上只存在蓄積層和反型層兩種。 另外，為了簡單起見，暫時忽略ms的影響。 3、氧化硅的破壞模型、(a )、(b )、(c )、(d )、3 .氧化硅的破壞模型、(2)氧化硅中的電子的通過以n poly-SiO2-Si結構為例，在硅和氧化硅之間形成的勢壘高度b=3.25V， 當以一定的柵極電壓Vg施加到MOS電容氧化層的電壓Voxb時，電子形

12、成通過三角勢壘注入到SiO2的傳導帶的可測定的Fowler-Nordheim隧道電流，Vox5nm，隧道概率小，直接隧道電流可以忽略。 圖13 F-N隧道模式圖和直接隧道模式圖，3 .氧化硅的破壞模型，如果不考慮鏡力對勢壘高度的影響，則電流密度和電場強度的關系表示為其中與電極和介質的功函數相關的常數。 3、氧化硅的破壞模型，(3)電子在氧化層中被輸送發(fā)生陷阱，通過F-N隧道注入的電子被氧化硅電場“加熱”，得到比氧化層導帶底部更高的動能。 通過氧化層后，電子撞擊晶格放出能量。 每個步驟對應于碰撞事件，或者是靈活性或非靈活性。 放出能量后，Si-O鍵會被切斷，可能會發(fā)生陷阱。 圖14的電子在氧化層

13、中的輸送，3 .氧化硅的破壞模型，電場為513MV/cm時，電子到達陽極時的能量一般在49eV的范圍。 界面狀態(tài)和陷阱的發(fā)生，實際上是在氧化硅的結構被損害后，以電氣方式表現出來的。 高能電子破壞Si-O鍵時，若將o替換為x，則可能有幾種形式表示雜質離子(x )和Si形成的鍵被電子破壞的過程。 如果電子的能量大于Si-O的結合能4.25eV，且與晶格碰撞后發(fā)射的能量大于4.25eV，則氧化硅的破壞模型根據上述方程式產生硅懸空鍵或氧懸空鍵。 硅懸掛鍵和氧懸掛鍵可以捕獲一個電子，并表現出陷阱的行為，以獲得穩(wěn)定的8個電子的外層結構。 能量在9eV以上的電子也可以通過碰撞電離激發(fā)電子空穴對。 如果是Si

14、-X結合，其結合能一般比Si-O結合能小，容易受到電子的破壞。 電子放出的能量不足以破壞Si-O鍵的話，放出的能量會使Si-O鍵扭曲，也有可能形成Si-O和Si-Si弱鍵。 另外，在氧化硅中，存在著施加電應力之前存在的硅的懸掛鍵、氧懸掛鍵、Si-O或Si-Si的弱鍵，被之后的電子碰撞破壞。 大量電子通過氧化硅時，引起陷阱的行為是隨機的，氧化硅中的陷阱分布是隨機的。 3、氧化硅的破壞模型，(4)產生空穴電流的電子到達陽極時，能量向界面的晶格釋放，破壞Si-O鍵，產生界面狀態(tài)。一部分電子將得到的能量釋放到陽極界面?zhèn)鹊墓柚械膬r帶的電子，為了在導帶底部激發(fā)，產生的“熱”空穴通過電場穿過氧化層。 (5)

15、由陷阱捕獲載流子和在氧化硅中輸送的電子和空穴的釋放被不斷發(fā)生的陷阱和現有的陷阱捕獲，形成陷阱電荷。 陷阱內的電子和空穴也有可能與輸送載體碰撞而放出。 3 .氧化硅的破壞模型、 氧化硅中的載流子行為：1.從電子陷阱向氧化硅的導帶隧道電子；2 .從電子陷阱向硅的導帶隧道電子；3 .導帶中的電子發(fā)射能量將電子陷阱中的電子激發(fā)至氧化硅的導帶；4 .電子在陽極界面上能從硅的價電子帶向硅的導帶激發(fā)電子，同時產生空穴5 .能量大于9eV的電子碰撞產生電子空穴對6 .電子發(fā)射能破壞Si-H鍵，使h離子向陰極運動，圖15的載流子在氧化硅中的列舉3 .氧化硅的破壞模型、7 .電子被電子陷阱捕獲的8 .電子陷阱發(fā)射

16、電子9 .空穴和電子陷阱中的電子復合10 .電子陷阱發(fā)射空穴11 .產生的空穴被空穴陷阱捕獲的12 .空穴陷阱發(fā)射空穴13 .電子和正圖15的載流子在氧化硅中的行為、3 .氧化硅的破壞模型、(6)氧化硅的破壞電子在氧化硅中輸送時發(fā)生陷阱，破壞氧化硅的結構。 隨著時間的延長，流過氧化層的電子數量增加，隨機產生的陷阱增加，兩個陷阱接觸時，形成大的陷阱。 如果設陷阱半徑為r，則如果兩個陷阱間的距離小于2r，則陷阱彼此會碰撞。 由于隨機產生的陷阱相互構成的大缺陷，形成從一個界面到另一個界面的通路時，氧化層的電容放電被破壞，導致不能恢復的損傷。 由于陷阱的隨機性，破壞時在氧化硅上被破壞的地方不僅在一處，

17、在很多地方都被破壞。 圖16的SiO2破壞示意圖、3 .氧化硅的破壞模型，相對于氧化硅，單位體積內的Si-O鍵的密度一定，因此，在某厚度的氧化硅中，破壞前被破壞的Si-O鍵的數量一定，能產生的陷阱密度一定，氧化硅的強度為氧化硅氧化硅的厚度越大，形成缺陷鏈所需的陷阱數越多，但厚度變大，電子在氧化硅中移動的距離變長，受到晶格碰撞的概率變高。 因此，氧化硅的壽命是上述兩個過程競爭的結果。 3、氧化硅的破壞模型、(7)氧化硅被破壞的結構氧化硅被破壞之后形成于氧化硅內的溝道，從帶的觀點來看，認為在氧化硅中形成幾個子帶，由于陷阱的隨機性，導致氧化硅的然而，如果形成子帶，則必定與硅形成一定的勢壘b。 根據熱電子發(fā)射電流的公式，在I-V曲線中應該表現為二極管的特性。 圖17破壞后的帶圖、4 .測定氧化硅的質量的方法、(1)CV測定作為測定電性能的方法被廣泛使用。 用高頻CV、低頻CV、準靜態(tài)CV測量了MOS電容的界面能級密度及其能譜、氧化層中的固定電荷和可動電荷面密度。 (2)電荷泵法和深能