什么是氧化层电荷与界面态?

[拼音]：yanghuaceng dianhe yu jiemiantai

[外文]：charge in the oxide layer and surface state

氧化层电荷是SiO2-Si系统中存在于SiO2内和SiO2-Si界面上的电荷。热生长SiO2-Si系统(见硅热氧化工艺)是MOS晶体管的一个组成部分，也是硅平面晶体管和集成电路的保护层。热生长SiO2-Si系统中的氧化层电荷，直接影响 MOS晶体管的阈值电压、有效迁移率和器件的可靠性，从而影响MOS大规模集成电路和超大规模集成电路的成品率和可靠性，以及硅平面双极型晶体管的漏电流、噪声、小电流β等参数。

早期的MOS结构中氧化层电荷非常多，各种电学参数很不稳定。60年代初，发现氧化层中的可动离子电荷(主要是钠离子)是造成这种不稳定性的主要原因。这一发现是MOS器件发展中的一件大事。事实上，只有当钠离子沾污基本上被控制以后，才能制成工作比较稳定的MOS晶体管。

在SiO2－Si系统中存在四种氧化层电荷。

（1）可动离子电荷：氧化层中的可动离子电荷主要是带正电荷的碱金属离子，如Na+、K+、Li+、Cs+等。有人认为，除离化的碱金属离子外，还有数量相当大的未离化的碱金属原子存在，而且氢离子(H+)也是氧化层中的一种可动正离子。此外，在氧化层中还可能有重金属的正离子和某些负离子，如OH-、O娛等。但是，普遍认为，在低于500℃的环境中，重金属离子和负离子难于运动。

（2）氧化层固定电荷：这是一种固定不动的，也不能与硅内进行电量交换的正电荷。它们分布在距离Si-SiO2界面约25埃以内的氧化层中。由于热氧化过程的特点，这一层中的硅和氧组份的比例，不是SiO2那样严格的化学配比。因此，这一层由于富硅缺氧引起的结构缺陷是很多的，氧化层固定电荷很可能是这一层中的离化的硅或氧空位所引起的。

（3）界面陷阱电荷：这种电荷分布在SiO2-Si界面上，与前面电荷不同，能够与硅体内进行电量交换，而且可以是正电荷也可以是负电荷。严格来说，界面上允许电子填充的能级叫做界面态。界面态可以是带电的，也可以是中性的。人们关心的是那些能量在硅禁带范围内的界面态。比较一致的看法是禁带中界面态密度（单位截面单位能量间隔中的界面态数）按能量的分布是一种U型分布，即禁带中央部分的界面态密度较低，而靠近两个带边的界面态密度增高。实验证明，部分界面陷阱电荷可以在含有氢气的气氛中在 450℃左右的低温退火中被中和。一般的看法是，SiO2-Si界面上硅的悬挂键、界面上的结构缺陷（如辐射引起的断裂键）和界面上存在的杂质原子都会引起界面态。

（4）氧化层陷阱电荷：在SiO2体内存在着空穴陷阱态和电子陷阱态，可以分别陷住进入SiO2空穴和电子，而分别使之带正电和负电。SiO2中的空穴和电子可以通过离化辐射、雪崩注入或能量大于SiO2禁带宽度(约 9电子伏)的紫外光子激发等产生。所以，这种电荷最初又叫做离化感应电荷。相当一部分氧化层陷阱电荷也能通过低温 (＜500


)退火被中和。

可动离子电荷、氧化层固定电荷和氧化层陷阱电荷通常用高频C－V法测量。测量可动离子电荷时还须对样品进行温度-偏压处理，即升温到150～300


，同时在金属电极上加不同极性的电压，维持约半小时，让可动离子全部移动到SiO2-Si界面附近或二氧化硅-金属界面附近。两次高频C-V特性的平带电压之差墹VFB与Qm 之间的关系为 Nm＝Qm/q＝Cox·墹VFB/q，式中Cox为单位面积氧化层电容。为了用高频C－V的平带电压测量氧化层固定电荷，需要把其他三种电荷对平带电压的影响减至最小，即首先把样品在含氢气氛中进行低温处理，把大部分界面陷阱电荷和氧化层陷阱电荷中和，再作负温度偏压处理把可动正离子吸到二氧化硅-金属界面附近。这样，所测得的平带电压与固定氧化层电荷的关系为Qf/q＝(-VFB+φms)·Cox/q，式中φms为金属与半导体的接触电势差。氧化层陷阱电荷的测量通常是比较空穴(或电子)陷住前、后的高频C－V特性的平带电压之差，等效到 SiO2-Si界面的氧化层陷阱电荷为Nto=Qot/q＝Cox·墹VFB/q。由于氧化层陷阱电荷是分布在SiO2体内的，实际的电荷数比等效值为大。

利用界面陷阱电荷能与硅体内交换电量的性质测量界面陷阱电荷，是各种界面态测量方法的基础。改变MOS电容两端电压的大小和极性，以及硅的表面势，界面态便随着表面势的变化而充、放电、监测充、放电荷或电流，或者监测由于界面态充、放电引起的电导或电容的变化，可测量界面陷阱电荷和界面态密度随能量的分布，测量界面态电荷和界面态密度随能量的分布。测量界面态电荷量通用的方法是准静态C－V法，其次还有电导法、高频C－V法、低温高频C－V法以及深能级瞬态谱法和充、放电电荷法等。

参考书目

叶良修：《半导体物理学》，高等教育出版社，北京， 1985。