解析硅-二氧化硅系统固定正界面电荷密度Qss基本特性

信息来源: 时间:2021-12-9

解析硅-二氧化硅系统固定正界面电荷密度Qss基本特性

一般来说,对于中等掺杂的p型或n型硅进行热氧化时,可以观察到能够分别形成n型表面反型或积累层的明显倾向。许多研究人员发现这一特性的原因是:由于在硅-二氧化硅界面附近存在着固定正电荷密度。用Qss表示的这个单位面积表面态电荷密度在数值上与快表面态电荷密度大不相同,从实用的观点来看它不随外加栅压或界面附近的硅表面电势而变,因为与固定正界面电荷密度相关的状态能级并不同于快表面态能级,是位于禁带能隙以外的,因此其占据的概率不受费密能级因外加栅极电压的变化而在禁带内波动的影响。里夫兹(Revesz)蔡宁格(Zaininger)和伊万斯(Evans)8发现Qss电荷密度的起源是由于在高出硅价带边缘0.8电子伏处(甚至可能高出导带边缘)分布着永久电离的类施主状态。

迪尔(Deal)斯克拉(Sklar)、格罗夫(Grove)和斯诺(Snow)5的经典论文描述和讨论了固定正界面电荷密度Qss的基本特性。他们发现Qss具有下列一些性质:

1、其数值是固定的,硅能带弯曲程度至少超出禁带能隙中央0.7电子伏亦不能加以改变。

2、二氧化硅覆盖层的厚度对其数值没有明显影响,掺杂浓度在1014~1017/厘米范围内,硅衬底掺杂类型或浓度对其数值也没有明显影响。

3、将温度-外加偏压测试条件一直升高到大约250℃,界面电荷密度仍是稳定的,这样的温度条件往往可使二氧化硅栅极绝缘物中的可动正离子电荷发生运动。因此同器件制作过程引进的钠和其它类型的可动离子的污染没有任何关系。

4、界面电荷密度在二氧化硅内,非常接近(0~200埃)硅-二氧化硅界面。

5、在相似的工艺条件下,界面电荷密度的数值强烈地随硅衬底结晶体的晶向而变。如上节所讨论的,Qss的观测值在相同的工艺条件下是随硅衬底的晶向而变,并按(111)>(110)>(100)顺序递减,比例近似等于3:2:1。

6、热氧化过程中环境(即水蒸汽或干氧)及温度的变化对界面电荷的数值有很大的影响,随后在不同环境中进行高温退火处理时,其数值可作再现性的变化。

上面提出的单位面积固定正界面电荷密度的最后一个特性是特别有意义的,对于确定和控制各种硅MOS场效应晶体管的最终电性质是极其重要的。迪尔(Deal)斯克拉(Sklar),格罗夫(Grove)和斯诺(Snow)发现对于在水蒸汽环境中生长的氧化物,Qss数值随氧化温度在一个较大的范围内只稍有变化(随温度增加而稍稍减小);对于在干氧环境中生成的氧化物,情况并非如此。特别是他们发现,对于在干氧环境中生长的氧化物,当氧化温度在700℃到1200℃的范围内增加时,Qss的值下降得相当迅速。此外,他们还证明,氧化层一经形成就可以对Qss的值作再现性的改变,其方法是在不同温度的干氧中作短时间的退火,或在干惰性气体中退火。如果采用后一种技术,人们发现,Qss值总是减小到一个最低水平,这个水平近似与干惰性气体退火的温度无关。在各种氧化和退火处理中,Qss值的趋向稳定平衡水平所需要时间是不同的,在氧化物厚度约为2000埃的p和n型(111)硅衬底制成的MOS电容器求得的5。(100)晶向衬底得到的数据显现出类似的关系,但是Qss实际观测值要低得多。

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上述特性,从定量上来说不同系统是不相同的,与所用氧化设备的型式有关;而从定性上来说,发现这种特性有很好的再现性。指出下述一点的确是非常重要的:Qss的水平完全取决于最后一道高温处理。例如在干氧环境中,采用任意高温条件生长的栅极绝缘物,再对晶片进行干氮惰性高温退火,往往可以得到水平较低的Qss。假如需要特定水平的Qss(高于最低水平)则可在特需温度下的干氧环境中生长栅极绝缘物;或者在任何温度下的湿或干氧中生长氧化物,然后在确定Qss水平所需的温度下,进行在干氧环境退火。如3.3节所讨论的,Qss的影响是使MOS器件的电容-电压特性曲线向负方向平移而不改变其形状。虽然单位面积固定正电荷密度Qss对MOS电容器和晶体管实测的平带电压和阈电压都有极大的影响,但对其它许多重要的电特性没有任何严重的危害。

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