氧化層電荷與界面態
正文
氧化層電荷是SiO2-Si系統中存在於SiO2內和SiO2-Si界面上的電荷。熱生長SiO2-Si系統(見矽熱氧化工藝)是MOS電晶體的一個組成部分,也是矽平面電晶體和積體電路的保護層。熱生長SiO2-Si系統中的氧化層電荷,直接影響 MOS電晶體的閾值電壓、有效遷移率和器件的可靠性,從而影響MOS大規模積體電路和超大規模積體電路的成品率和可靠性，以及矽平面雙極型電晶體的漏電流、噪聲、小電流β等參數。早期的MOS結構中氧化層電荷非常多,各種電學參數很不穩定。60年代初,發現氧化層中的可動離子電荷(主要是鈉離子)是造成這種不穩定性的主要原因。這一發現是MOS器件發展中的一件大事。事實上,只有當鈉離子沾污基本上被控制以後,才能製成工作比較穩定的MOS電晶體。
氧化層電荷種類 在SiO2－Si系統中存在四種氧化層電荷。①可動離子電荷：氧化層中的可動離子電荷主要是帶正電荷的鹼金屬離子，如Na+、K+、Li+、Cs+等。有人認為，除離化的鹼金屬離子外，還有數量相當大的未離化的鹼金屬原子存在，而且氫離子(H+)也是氧化層中的一種可動正離子。此外，在氧化層中還可能有重金屬的正離子和某些負離子，如OH-、O娛等。但是,普遍認為，在低於500℃的環境中,重金屬離子和負離子難於運動。②氧化層固定電荷：這是一種固定不動的，也不能與矽內進行電量交換的正電荷。它們分布在距離Si-SiO2界面約25埃以內的氧化層中。由於熱氧化過程的特點，這一層中的矽和氧組份的比例，不是SiO2那樣嚴格的化學配比。因此，這一層由於富矽缺氧引起的結構缺陷是很多的，氧化層固定電荷很可能是這一層中的離化的矽或氧空位所引起的。③界面陷阱電荷：這種電荷分布在SiO2-Si界面上，與前面電荷不同,能夠與矽體內進行電量交換，而且可以是正電荷也可以是負電荷。嚴格來說，界面上允許電子填充的能級叫做界面態。界面態可以是帶電的，也可以是中性的。人們關心的是那些能量在矽禁帶範圍內的界面態。比較一致的看法是禁帶中界面態密度（單位截面單位能量間隔中的界面態數）按能量的分布是一種U型分布,即禁帶中央部分的界面態密度較低，而靠近兩個帶邊的界面態密度增高。實驗證明，部分界面陷阱電荷可以在含有氫氣的氣氛中在 450℃左右的低溫退火中被中和。一般的看法是,SiO2-Si界面上矽的懸掛鍵、界面上的結構缺陷（如輻射引起的斷裂鍵）和界面上存在的雜質原子都會引起界面態。④氧化層陷阱電荷：在SiO2體記憶體在著空穴陷阱態和電子陷阱態，可以分別陷住進入SiO2空穴和電子，而分別使之帶正電和負電。SiO2中的空穴和電子可以通過離化輻射、雪崩注入或能量大於SiO2禁頻寬度(約 9電子伏)的紫外光子激發等產生。所以，這種電荷最初又叫做離化感應電荷。相當一部分氧化層陷阱電荷也能通過低溫 (＜500
)退火被中和。 氧化層電荷測量 可動離子電荷、氧化層固定電荷和氧化層陷阱電荷通常用高頻C－V法測量。測量可動離子電荷時還須對樣品進行溫度-偏壓處理，即升溫到150～300
,同時在金屬電極上加不同極性的電壓，維持約半小時,讓可動離子全部移動到SiO2-Si界面附近或二氧化矽-金屬界面附近。兩次高頻C-V特性的平帶電壓之差墹VFB與Qm 之間的關係為 Nm＝Qm/q＝Cox·墹VFB/q，式中Cox為單位面積氧化層電容。為了用高頻C－V的平帶電壓測量氧化層固定電荷，需要把其他三種電荷對平帶電壓的影響減至最小，即首先把樣品在含氫氣氛中進行低溫處理，把大部分界面陷阱電荷和氧化層陷阱電荷中和,再作負溫度偏壓處理把可動正離子吸到二氧化矽-金屬界面附近。這樣，所測得的平帶電壓與固定氧化層電荷的關係為Qf/q＝(-VFB+φms)·Cox/q，式中φms為金屬與半導體的接觸電勢差。氧化層陷阱電荷的測量通常是比較空穴(或電子)陷住前、後的高頻C－V特性的平帶電壓之差，等效到 SiO2-Si界面的氧化層陷阱電荷為Nto=Qot/q＝Cox·墹VFB/q。由於氧化層陷阱電荷是分布在SiO2體內的，實際的電荷數比等效值為大。 利用界面陷阱電荷能與矽體內交換電量的性質測量界面陷阱電荷,是各種界面態測量方法的基礎。改變MOS電容兩端電壓的大小和極性，以及矽的表面勢，界面態便隨著表面勢的變化而充、放電、監測充、放電荷或電流，或者監測由於界面態充、放電引起的電導或電容的變化，可測量界面陷阱電荷和界面態密度隨能量的分布，測量界面態電荷和界面態密度隨能量的分布。測量界面態電荷量通用的方法是準靜態C－V法，其次還有電導法、高頻C－V法、低溫高頻C－V法以及深能級瞬態譜法和充、放電電荷法等。
參考書目
葉良修：《半導體物理學》，高等教育出版社，北京， 1985。
