氧化层击穿原理 ppt课件
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氧化层击穿原理
图13 F-N隧穿示意图和直接隧穿示意图
3. 氧化硅的击穿模型
如果我们不考虑镜像力对势垒高度的影响，则电流密度与电场强度的
关系可表示成
其中，
是与电极和电介质的功函数有
关的常数。
3. 氧化硅的击穿模型
（3）电子在氧化层中输运及陷阱的产生
由F-N隧穿注入的电子受氧
化硅电场“加热”，获得高 于氧化层导带底的动能。穿 过氧化层时，电子与晶格发 生碰撞并释放能量。每一级 台阶对应于一次碰撞事件， 或弹性或非弹性。能量释放 时，可能造成Si-O键断裂， 产生陷阱。
（3）Si-O弱键结构
由于表面硅原子与硅氧四面体中的氧原子相互作用距离拉长，硅与氧
之间相互作用较弱而形成的结构。换种说法就是有悬挂键的硅原子与 SiO2中的O形成了Si-O弱键，从而使硅的禁带中出现局域的电子态。
图8 Si-O弱键结构
2. Si-SiO2系统
（4）非桥键氧（氧悬挂键）结构 （5）在界面和氧化硅内部的硅悬挂键上束缚着杂质原 子结构，比如H、OH等。
无序”，但从局部看，原子的排列并非完全杂乱，而是有一定规则， 即“短程有序”。
1. 氧化硅的结构和性质
图1 Si-O组成的正四面体
图2 长程有序的石英晶体
1. 氧化硅的结构和性质
在二氧化硅网络中，氧离子起着连接Si-O四面体的作用，并且存在着
两种不同的状态——桥键氧和非桥键氧。
为两个硅原子所共有的氧离子称为桥键氧，只同一个硅原子相连接的
形成陷阱电荷。而陷阱内的电子或空穴也可能被输运载流子碰撞而释 放出来。
3. 氧化硅的击穿模型
氧化硅中载流子的行为：
1. 电子从电子陷阱中隧穿到氧化硅的导
阳极氧化原理全解ppt课件
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7、电流密度： 电流密度越大，膜较硬，耐磨性好，但电
流密度过高，则会因焦耳热影响，使膜层溶 解作用增加，电流密度过高，膜层氧化时间 过长，膜疏松，硬度降低，对于需染色或电 解着色的氧化膜，电流密度宜取 1.5A/dm2~2.0A/dm2,装饰性阳极氧化膜电流 密度宜取0.5~0.8A/dm2;
积(注意切勿将水加入硫酸中） D.冷却至工艺条件温度； E.化验室取样分析,OK后即可投入生产
2、硫酸的纯度要求： 最好用试剂，我们通常用CP（化学纯）
硫酸。
14
3、槽液维护
A、对槽液要定期进行分析，一般只分析游 离硫酸和铝含量。槽液在使用过程中，游 离硫酸浓度会逐渐下降，而铝含量上升， 当游离硫酸浓度降到规定浓度下限，铝含 量尚未升到上限时，只需计量添加硫酸， 但当铝含量超过规定上限时，应排放部分 （1/4~1/3）槽液，然后再计量添加硫酸和 去离子水。排放的硫酸溶液可用耐酸泵抽 入硫酸脱脂槽内二次利用。降低氧化槽内 的铝含量也可用硫酸回收设备。
③冷冻机中的致冷剂借助热交换器冷却槽液循环系统中的槽液;
④用槽液循环系统间接冷却装置,即冷冻机冷却冷水池中的水,再 用冷水借助热交换器冷却槽液循环系统中的槽液.
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3、电压： A、电压高，氧化膜生长速度提高，孔隙增 多，易染色，硬度和耐磨性提高。 B、电压低，生成氧化膜的速度慢，膜层 较致密。 4、氧化时间： 根据硫酸浓度，溶液温度、电压，膜厚而 定，其它条件不变，时间越长，膜厚越厚， 但达到一定厚度时，膜厚将不会增加（即 膜的溶解速度与生长速度相等）。
3
2、电化学氧化： A.定义：
将铝及其合金置于某种适当的电解液中 作为阳极，在外电流作用下，使其表面生 成氧化膜的过程称为阳极氧化，又称电化 学氧化。
7、电流密度： 电流密度越大，膜较硬，耐磨性好，但电
流密度过高，则会因焦耳热影响，使膜层溶 解作用增加，电流密度过高，膜层氧化时间 过长，膜疏松，硬度降低，对于需染色或电 解着色的氧化膜，电流密度宜取 1.5A/dm2~2.0A/dm2,装饰性阳极氧化膜电流 密度宜取0.5~0.8A/dm2;
积(注意切勿将水加入硫酸中） D.冷却至工艺条件温度； E.化验室取样分析,OK后即可投入生产
2、硫酸的纯度要求： 最好用试剂，我们通常用CP（化学纯）
硫酸。
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3、槽液维护
A、对槽液要定期进行分析，一般只分析游 离硫酸和铝含量。槽液在使用过程中，游 离硫酸浓度会逐渐下降，而铝含量上升， 当游离硫酸浓度降到规定浓度下限，铝含 量尚未升到上限时，只需计量添加硫酸， 但当铝含量超过规定上限时，应排放部分 （1/4~1/3）槽液，然后再计量添加硫酸和 去离子水。排放的硫酸溶液可用耐酸泵抽 入硫酸脱脂槽内二次利用。降低氧化槽内 的铝含量也可用硫酸回收设备。
③冷冻机中的致冷剂借助热交换器冷却槽液循环系统中的槽液;
④用槽液循环系统间接冷却装置,即冷冻机冷却冷水池中的水,再 用冷水借助热交换器冷却槽液循环系统中的槽液.
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3、电压： A、电压高，氧化膜生长速度提高，孔隙增 多，易染色，硬度和耐磨性提高。 B、电压低，生成氧化膜的速度慢，膜层 较致密。 4、氧化时间： 根据硫酸浓度，溶液温度、电压，膜厚而 定，其它条件不变，时间越长，膜厚越厚， 但达到一定厚度时，膜厚将不会增加（即 膜的溶解速度与生长速度相等）。
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2、电化学氧化： A.定义：
将铝及其合金置于某种适当的电解液中 作为阳极，在外电流作用下，使其表面生 成氧化膜的过程称为阳极氧化，又称电化 学氧化。
集成电路制造工艺之氧化 ppt课件
此时，生长速率将由氧化剂通过SiO2 层的扩散速率所决定。随着SiO2厚度的 增加，生长速率将逐渐下降。
临界厚度： 干氧氧化时，当厚度越过40Å时，
湿氧氧化时，厚度超过1000Å时，
生长过程将由表面化学反应控制转为扩
散控制。
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氧化源
• 干氧
• 水蒸汽
--鼓泡瓶
--气化系统
• 湿氧（氧气+水蒸汽）
ppt课件
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另外也可以用情性气体(氮气或氩气)携带水汽进行氧化， 在这种情况下的氧化完全由水汽引起的。
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氢气和氧气，H2+O2→H2O
采用高温合成技术进行水汽氧化，在这种氧化系统中，氧 化剂是由纯氢和纯氧直接反应生成的水汽。
这种方法可在很宽的范围内变化H2O的压力。
Xm in4.6 DSiO 2t
t为杂质在硅中达到扩散浓度所需要的时间。
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9
如图，是用干氧氧化方法生长的SiO2 层，在不同温度下掩蔽气态P2O5和 B2O3杂质源，扩散时间与所需最小 SiO2层厚度xmin的关系。
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10
杂质在SiO2中的存在形式
按杂质在网络中所处位置可分为两类：
ppt课件
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热氧化时，气体内部、SiO2中、Si表面处氧化剂的浓度分布情况以及 相应的压力如图所示。流密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。
热氧化过程：
(1) 氧化剂从气体内部以扩散形式穿过附面层运动 到气体-SiO2界面，其流密度用F1表示。
因此，SiO2的生长速率介于干氧和水汽氧化之间，与氧气流量、 水汽的含量有着密切关系。
如果水汽含量很少， SiO2的生长速率和质量就越接近于干氧氧化 的情况，反之，就越接近水汽氧化情况。
临界厚度： 干氧氧化时，当厚度越过40Å时，
湿氧氧化时，厚度超过1000Å时，
生长过程将由表面化学反应控制转为扩
散控制。
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氧化源
• 干氧
• 水蒸汽
--鼓泡瓶
--气化系统
• 湿氧（氧气+水蒸汽）
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另外也可以用情性气体(氮气或氩气)携带水汽进行氧化， 在这种情况下的氧化完全由水汽引起的。
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氢气和氧气，H2+O2→H2O
采用高温合成技术进行水汽氧化，在这种氧化系统中，氧 化剂是由纯氢和纯氧直接反应生成的水汽。
这种方法可在很宽的范围内变化H2O的压力。
Xm in4.6 DSiO 2t
t为杂质在硅中达到扩散浓度所需要的时间。
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如图，是用干氧氧化方法生长的SiO2 层，在不同温度下掩蔽气态P2O5和 B2O3杂质源，扩散时间与所需最小 SiO2层厚度xmin的关系。
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杂质在SiO2中的存在形式
按杂质在网络中所处位置可分为两类：
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热氧化时，气体内部、SiO2中、Si表面处氧化剂的浓度分布情况以及 相应的压力如图所示。流密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。
热氧化过程：
(1) 氧化剂从气体内部以扩散形式穿过附面层运动 到气体-SiO2界面，其流密度用F1表示。
因此，SiO2的生长速率介于干氧和水汽氧化之间，与氧气流量、 水汽的含量有着密切关系。
如果水汽含量很少， SiO2的生长速率和质量就越接近于干氧氧化 的情况，反之，就越接近水汽氧化情况。
不同工艺超薄栅氧化层的抗击穿特性
＠２０ ０２中国电子学台
维普资讯
１ 期
韩德 栋等： 不同工艺超 薄措氧化层 的抗击穿特性
对 应 的
电压 ） ．
即为击 穿 电压 （ 理论 上 是 ， ，一 蓝线 当
小． 这是 因为衬 底 中的电子 能量 较低 ， 通过隧 道贯 穿
量 实 验研 究 了 注 Ｆ、 Ｎ、 注 Ｎ 后 注 Ｆ超 薄橱 氧 注 先
化层 的击 穿特性 以及它 们之 间的关 系． 结果 表 明 ， 在 栅 介质 中引入 适 量 的 Ｆ或 Ｎ 都 可 以改善 橱 介 质 的 质 量 ， 高器 件 的抗击 穿 能 力 ． 提 通过 比较发 现 ， Ｎ 注 薄橱 介质 的抗 击 穿 能力 比注 Ｆ薄 橱介 质强 ． 对 进 这
橱 氧化层 的击穿 问题 已经成 为阻碍集 成 电路进 一步 本 实验所采用 的样 品为 Ａｌ Ｎ 型 ＭＯＳ电容 ， 栅
制 作 在 １７ ．Ｎ ・ｃ ｎ型 （０ ） ｉ 底 上 ． ． ～２ ３ ｍ， １０ Ｓ 衬 经
９０ ０ ℃干氧栅氧化 ， 氧化后在 ９ ０ Ｎ 气氛 中进行 退 ０℃ 火 ， 容 面 积 分 别 为 １ ８ ４ １ ～、 ． ０ × １ ～、 电 ．２ × ０ ８ ３２ ０ ５ ０ ×１ Ｉｃ ． 介质 中 Ｆ的引入是通 过橱干氧 过 ． ６ ０ ３ｍ。栅 程 中同时加 ＮＦ 氧化 而 实 现的 ， 氧化后 在 ９ ０ ｓ 栅 ０℃
近几 年来 ， 关 薄橱 氧化层击 穿特 性 以及含 Ｆ、 有 Ｎ 等橱 介 质 ＭＯＳ器 件 的 研 究 国 内外 已有 很 多 报
道 ＿ ， 有关 注 Ｆ、 Ｎ、 注 Ｎ 后注 Ｆ超 薄橱 氧 ｌ 但 ］ 注 先
化层 的 抗击 穿特 性 的研 究却 很 少 报道 ． 文通 过 大 本
氧化层击穿原理ppt课件
在未进行温度偏压（BT）处理前， Na+大多数集中在SiO2与金属界面靠 近金属的陷阱内，对硅表面性质影响不大。
在正BT处理后（温度一般为150~200℃），这些Na+可以被激活而离开陷 阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在SiSiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极 型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压不 稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。
26 2005-4
3. 氧化硅的击穿模型
（4）空穴电流的产生
电子到达阳极时将能量释放给界面的晶格，破坏Si-O键，产生界面态。 部分电子将获得的能量释放给阳极界面一侧硅中价带的电子，使其激发 到导带底，因此产生的“热”空穴在电场作用下又隧穿进入氧化层。
（5）陷阱对载流子的俘获和释放
在氧化硅中输运的电子和空穴被不断产生的陷阱和已有的陷阱俘获，形 成陷阱电荷。而陷阱内的电子或空穴也可能被输运载流子碰撞而释放出 来。
任娜-weekly-report-20121110 氧化层击穿原理研究
1
Outline
1. 氧化硅的结构和性质 2. Si-SiO2系统 3. 氧化硅的击穿模型 4. 检测氧化硅质量的方法
2 2005-4
1. 氧化硅的结构和性质
（1）二氧化硅的结构
二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成 的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个 相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络 结构。
且为简单起见暂时忽略ms20精选编辑ppt氧化硅的击穿模型图12an衬底积累bn衬底反型cp衬底反型dp衬底积累21精选编辑ppt氧化硅的击穿模型2氧化硅中电子的遂穿以npolysio2si结构为例硅与氧化硅之间形成的势垒高度b325v在一定栅压vg下当加在mos电容氧化层上的电压voxb时电子穿过三角形势垒注入到sio2的导带中形成可测量的fowlernordheim隧穿电流voxb时由阴极发射的电子穿过梯形势垒直接隧穿如果氧化层厚度5nm隧穿几率很小直接隧穿电流可以忽略不计
在正BT处理后（温度一般为150~200℃），这些Na+可以被激活而离开陷 阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在SiSiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极 型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压不 稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。
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3. 氧化硅的击穿模型
（4）空穴电流的产生
电子到达阳极时将能量释放给界面的晶格，破坏Si-O键，产生界面态。 部分电子将获得的能量释放给阳极界面一侧硅中价带的电子，使其激发 到导带底，因此产生的“热”空穴在电场作用下又隧穿进入氧化层。
（5）陷阱对载流子的俘获和释放
在氧化硅中输运的电子和空穴被不断产生的陷阱和已有的陷阱俘获，形 成陷阱电荷。而陷阱内的电子或空穴也可能被输运载流子碰撞而释放出 来。
任娜-weekly-report-20121110 氧化层击穿原理研究
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1. 氧化硅的结构和性质 2. Si-SiO2系统 3. 氧化硅的击穿模型 4. 检测氧化硅质量的方法
2 2005-4
1. 氧化硅的结构和性质
（1）二氧化硅的结构
二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成 的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个 相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络 结构。
且为简单起见暂时忽略ms20精选编辑ppt氧化硅的击穿模型图12an衬底积累bn衬底反型cp衬底反型dp衬底积累21精选编辑ppt氧化硅的击穿模型2氧化硅中电子的遂穿以npolysio2si结构为例硅与氧化硅之间形成的势垒高度b325v在一定栅压vg下当加在mos电容氧化层上的电压voxb时电子穿过三角形势垒注入到sio2的导带中形成可测量的fowlernordheim隧穿电流voxb时由阴极发射的电子穿过梯形势垒直接隧穿如果氧化层厚度5nm隧穿几率很小直接隧穿电流可以忽略不计
mos管导通原理
mos管导通原理
MOS管是一种金属-氧化物-半导体场效应管，其导通原理是通过调节栅极电场来控制沟道中导电性的形成和消失。
MOS管主要由金属栅极、氧化物层和半导体基片组成。
在导通状态下，栅极施加正电压，形成强电场，使得栅极和沟道之间的氧化层发生击穿。
当击穿电压大于临界电压时，沟道中的电子受到电场的影响，在电子迁移率的作用下，自由电子聚集在沟道区域，形成导电通道。
所以，当栅极电压为正时，MOS管进入导通状态。
相反，当栅极施加负电压，电场在栅极和沟道之间产生相反的方向，阻碍电子的迁移，使得沟道中的电子不容易聚集。
当栅极电压小于临界电压，沟道中没有或只有极少的自由电子，MOS管处于截止状态，不导电。
MOS管的导通原理通过调节栅极电场的大小，能够实现对电流的精确调控。
此外，MOS管还具有灵敏的开关特性和快速的响应速度，被广泛应用于集成电路等领域。
《氧化层击穿原理》课件
防雷
研究氧化层击穿有助于改进防雷 设施，保护人们和建筑物免受雷 击。
氧化层击穿的发展前景
随着科学技术的不断发展，氧化层击穿研究将在环境保护、天气预报、航空航天等领域发挥越来越重要的作用。
氧化层击穿的挑战与解决方案
1
挑战
氧化层击穿现象复杂性和可变性使得研
解决方案
2
究、模拟和预测变得具有挑战性。
开发更精确的数值模拟方法，建立全球
合作平台共享数据和研究成果。
3
挑战
氧化层击穿对人类和环境具有潜在风险， 应采取有效的防护措施。
结论和总结
氧化层击穿是一项重要的研究课题，其定义、原理和应用领域的探索对于环境保护和科学发展具有重要意义。
氧化层击穿的实验方法
电容法
使用电容器充电，通过测量电 容器的放电曲线来判断氧化层 是否发生击穿。
放电法
使用高压电源，在氧化层模拟 实验室设备中产生氧化层击穿 现象。
数值模拟
通过计算机仿真，模拟氧化层 受到外部电磁场激励时的击穿 现象。
氧化层击穿与大气压力密切相关。
《氧化层击穿原理》PPT 课件
本课件将介绍氧化层击穿的定义和原理，实验方法，影响因素，应用领域和 发展前景。同时，我们也将探讨该问题的挑战与解决方案，并总结结论。
氧化层击穿的定义和原理
1 定义
氧化层击穿是指在大气中形成高压、高温的 电弧现象，穿透氧化层，连接地面和云端。
2 原理
氧化层击穿是由于电荷分离引起的能量释放， 导致空气中的氧气分子发生电离和化学反应。
湿度
湿度的变化对氧化层击穿有一定的影响，湿度 高时会减缓击穿速度和产生轰鸣声。
温度
温度越高，氧化层的电导率越高，导致击穿更 容易发生。
《chap氧化》PPT课件
• (2)电容器的介质材料
•
集成电路中的电容器是以SiO2作介
质的，因为SiO2的介电常数为3-4，击穿
耐压较高，电容温度系数下，这些性能
决定了它是一种优质的电容器介质材料。
另外，生长二氧化硅方法很简单，在集
成电路中的电容器都以二氧化硅来代替。
• 4.集成电路中的隔离介质
• 集成电路中的隔离有P-N隔离和介质 隔离两种，而介质隔离中的介质就是二 氧化硅。因为SiO2介质隔离的漏电流很 小，岛与岛之间的隔离电压较大，寄生 电容较小。因此，用二氧化硅作介质隔 离的集成电路的开关速度较好。
3. 二氧化硅膜的掩蔽性质
B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在 Si中的扩散系数。DSi > DSiO2
SiO2 膜要有足够的厚度。杂质在一定的扩散时 间、扩散温度下，有一最小厚度。
4. 二氧化硅膜的绝缘性质
热击穿、电击穿、混合击穿：
a.最小击穿电场〔非本征〕－－针孔、裂缝、杂 质。
b.最大击穿电场〔本征〕－－厚度、导热、界面 态电荷等；氧化层越薄、氧化温度越高， 击穿 电场越低供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！
Chap 2 氧化 oxide
• 本章重点： • 1、 SiO2层用途 • 2、 SiO2氧化方法 • 3、 SiO2质量监测
桥联氧
非桥联氧
• 3.无定形SiO2的强度应是桥键氧数目与非桥键氧 数目之比的函数，桥键氧数目越多，那么网络结 合的就越严密，否那么就越疏松。
• 4.在无定形SiO2网络中，硅在SiO2中的扩散系数 比氧的扩散系数小几个数量级。在热氧化法制备 的过程中，是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层，到 达Si- SiO2界面，与硅反响生成SiO2 ，而不是硅 向SiO2外外表运动，在外表与氧化剂反响生成 SiO2
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而进行负BT处理，可把Na+离子驱至金属和SiO2界面。
2. Si-SiO2系统
理想状体下由扩散炉生长的氧化层的结构应该如图所示。在氧化硅内 部和Si-SiO2界面没有扭曲的键或断键，也没有悬挂键，或者杂质离子。 也就是没有陷阱和界面态。
图4 理想Si-SiO2系统
2. Si-SiO2系统
实际的Si-SiO2系统存在着硅悬挂键和氧悬挂键，在氧化硅体内和界面 构成了陷阱和界面态。此外，还存在着杂质离子以及由于湿氧氧化和 合金化工艺时引入的H原子或离子，这些陷阱会俘获通过氧化硅的载 流子。
（2）本征二氧化硅和非本征二氧化硅
在理想的条件下，二氧化硅的生长过程中不存在任何杂质的沾污，在单 晶硅表面将形成仅有硅和氧而无其它元素的本征二氧化硅薄膜，其二维 网络结构如图1所示。
然而实际上这种理想情况是不存在的，任何热氧化过程都存在不同程度 的杂质沾污，这种带杂质的无定形二氧化硅称为非本征二氧化硅。
表1 二氧化硅中重要的杂质离子半径
1. 氧化硅的结构和性质
在二氧化硅网络中，硅的化合价是4，配位数为（中心离子周围配位原 子的数目）4，而网络形成剂的化合价与硅不同，配位数也不一样。当 它们替代硅原子的位置后，其配位数也发生变化。
例如硼（B3+）在B2O3中配位数为3，替代硅原子后B的配位数将由3变 为4，结果造成二氧化硅中缺氧状态，使网络中非桥键氧离子浓度减少， 二氧化硅膜的强度增大。
图1 Si-O组成的正四面体 Nhomakorabea图2 长程有序的石英晶体
1. 氧化硅的结构和性质
在二氧化硅网络中，氧离子起着连接Si-O四面体的作用，并且存在着 两种不同的状态——桥键氧和非桥键氧。
为两个硅原子所共有的氧离子称为桥键氧，只同一个硅原子相连接的 氧离子称为非桥键氧。
二氧化硅网络的强度与桥键氧和非桥键氧的比例有关。桥键氧越少， 非桥键氧越多，则二氧化硅网络的结构越疏松。
图6 Si悬挂键结构
2. Si-SiO2系统
（2）Si-Si弱键和氧空位结构
因为非桥键氧只有一个Si-O键，它还可以接受一个电子，以维持八个 电子的外层稳定结构，因此每一个非桥键氧实际上就是一个陷阱。
在氧化硅网络中也存在着两种硅离子，一种是外层电子结构稳定的硅 离子，另一种是有一个键不饱和的硅离子。在载流子通过氧化硅的过 程中，它们都起到了陷阱的作用。
1. 氧化硅的结构和性质
无定形二氧化硅膜不同于石英晶体，石英晶体的结构可看成是由Si-O正 四面体基本单元向三维空间不断延伸、周期重复排列的结果，其特点是 “长程有序”。
而二氧化硅从整体上看，原子的排列是混乱的，不规则的，即“长程无 序”，但从局部看，原子的排列并非完全杂乱，而是有一定规则，即 “短程有序”。
1. 氧化硅的结构和性质
在正BT处理后（温度一般为150~200℃），这些Na+可以被激活而离开 陷阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在SiSiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极 型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压 不稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。
二氧化硅中的杂质，如果是电中性的，则它只占据网络中孔洞的位置， 对二氧化硅的电特性没有影响。如果杂质已被电离，则会显著的影响二 氧化硅的电性能。而实验证明，二氧化硅中杂质绝大部分是被电离的， 且多数以正离子的形式存在于网络中。
1. 氧化硅的结构和性质
图3 本征二氧化硅 和非本征二氧化硅的二维网络
1. 氧化硅的结构和性质
图5 实际的Si-SiO2系统
2. Si-SiO2系统
（1）Si悬挂键结构
当硅悬挂键出现在Si/SiO2界面时，就是人们通常所说的界面态的来源。 当硅悬挂键出现在通常所说的过渡层时，就是固定氧化物电荷的来源。 因为硅的热氧化过程是由于过剩的氧原子向内运动形成的，在近于SiSiO2界面的氧化物中必然存在着硅的过剩，等待着与氧进行反应，当氧 化终止时，这些硅离子固定下来而产生正电荷。当然在氧化硅内部也存 在着Si悬挂键结构。
（3）网络形成剂和网络调节剂
掺入的电离杂质，按其在二氧化硅网络中的位置和作用，可以分为两类： 网络形成剂和网络调节剂。有少数杂质（如铝）两种作用都具备。
在硅-氧四面体中可以取代硅原子并形成网络的一种杂质，称为网络形 成剂，又称为替位式杂质。常见的网络形成剂有硼、磷、锑等正离子， 它们的特点是离子半径与Si原子的半径相近或更小。
磷（P5+）掺入后，其配位数由5变为4，结果造成二氧化硅中剩氧状态， 使网络中非桥键氧离子浓度增大，二氧化硅膜的强度减弱。
1. 氧化硅的结构和性质
处于Si-O四面体网络空隙中孔洞位置的那一类杂质，称为网络调节剂， 又称为间隙式杂质。最常见的网络调节剂有Na、K、Pb、Ca、Ba等正 离子，其特点是离子半径较大。这类杂质多以氧化物的形式掺入二氧 化硅膜，电离后，杂质正离子将占据网络空隙位置，而氧离子进入网 络，使得在一个桥键氧处出现两个非桥键氧。例如Na2O的掺入反应为：
由于非桥键氧浓度增大，二氧化硅网络中出现更多的孔洞，使结构强 度减弱、熔点降低。而且这类杂质在外电场和温度的作用下，会在二 氧化硅中运动，影响器件稳定性和可靠性。
1. 氧化硅的结构和性质
SiO2层中的可动离子电荷主要就是指由于沾污而引入的钠、钾、氢等 正离子，其中最主要的是Na离子。
在未进行温度偏压（BT）处理前， Na+大多数集中在SiO2与金属界面 靠近金属的陷阱内，对硅表面性质影响不大。
-weekly-report-20121110 氧化层击穿原理研究
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1. 氧化硅的结构和性质 2. Si-SiO2系统 3. 氧化硅的击穿模型 4. 检测氧化硅质量的方法
1. 氧化硅的结构和性质
（1）二氧化硅的结构
二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成 的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个 相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络 结构。
2. Si-SiO2系统
理想状体下由扩散炉生长的氧化层的结构应该如图所示。在氧化硅内 部和Si-SiO2界面没有扭曲的键或断键，也没有悬挂键，或者杂质离子。 也就是没有陷阱和界面态。
图4 理想Si-SiO2系统
2. Si-SiO2系统
实际的Si-SiO2系统存在着硅悬挂键和氧悬挂键，在氧化硅体内和界面 构成了陷阱和界面态。此外，还存在着杂质离子以及由于湿氧氧化和 合金化工艺时引入的H原子或离子，这些陷阱会俘获通过氧化硅的载 流子。
（2）本征二氧化硅和非本征二氧化硅
在理想的条件下，二氧化硅的生长过程中不存在任何杂质的沾污，在单 晶硅表面将形成仅有硅和氧而无其它元素的本征二氧化硅薄膜，其二维 网络结构如图1所示。
然而实际上这种理想情况是不存在的，任何热氧化过程都存在不同程度 的杂质沾污，这种带杂质的无定形二氧化硅称为非本征二氧化硅。
表1 二氧化硅中重要的杂质离子半径
1. 氧化硅的结构和性质
在二氧化硅网络中，硅的化合价是4，配位数为（中心离子周围配位原 子的数目）4，而网络形成剂的化合价与硅不同，配位数也不一样。当 它们替代硅原子的位置后，其配位数也发生变化。
例如硼（B3+）在B2O3中配位数为3，替代硅原子后B的配位数将由3变 为4，结果造成二氧化硅中缺氧状态，使网络中非桥键氧离子浓度减少， 二氧化硅膜的强度增大。
图1 Si-O组成的正四面体 Nhomakorabea图2 长程有序的石英晶体
1. 氧化硅的结构和性质
在二氧化硅网络中，氧离子起着连接Si-O四面体的作用，并且存在着 两种不同的状态——桥键氧和非桥键氧。
为两个硅原子所共有的氧离子称为桥键氧，只同一个硅原子相连接的 氧离子称为非桥键氧。
二氧化硅网络的强度与桥键氧和非桥键氧的比例有关。桥键氧越少， 非桥键氧越多，则二氧化硅网络的结构越疏松。
图6 Si悬挂键结构
2. Si-SiO2系统
（2）Si-Si弱键和氧空位结构
因为非桥键氧只有一个Si-O键，它还可以接受一个电子，以维持八个 电子的外层稳定结构，因此每一个非桥键氧实际上就是一个陷阱。
在氧化硅网络中也存在着两种硅离子，一种是外层电子结构稳定的硅 离子，另一种是有一个键不饱和的硅离子。在载流子通过氧化硅的过 程中，它们都起到了陷阱的作用。
1. 氧化硅的结构和性质
无定形二氧化硅膜不同于石英晶体，石英晶体的结构可看成是由Si-O正 四面体基本单元向三维空间不断延伸、周期重复排列的结果，其特点是 “长程有序”。
而二氧化硅从整体上看，原子的排列是混乱的，不规则的，即“长程无 序”，但从局部看，原子的排列并非完全杂乱，而是有一定规则，即 “短程有序”。
1. 氧化硅的结构和性质
在正BT处理后（温度一般为150~200℃），这些Na+可以被激活而离开 陷阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在SiSiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极 型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压 不稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。
二氧化硅中的杂质，如果是电中性的，则它只占据网络中孔洞的位置， 对二氧化硅的电特性没有影响。如果杂质已被电离，则会显著的影响二 氧化硅的电性能。而实验证明，二氧化硅中杂质绝大部分是被电离的， 且多数以正离子的形式存在于网络中。
1. 氧化硅的结构和性质
图3 本征二氧化硅 和非本征二氧化硅的二维网络
1. 氧化硅的结构和性质
图5 实际的Si-SiO2系统
2. Si-SiO2系统
（1）Si悬挂键结构
当硅悬挂键出现在Si/SiO2界面时，就是人们通常所说的界面态的来源。 当硅悬挂键出现在通常所说的过渡层时，就是固定氧化物电荷的来源。 因为硅的热氧化过程是由于过剩的氧原子向内运动形成的，在近于SiSiO2界面的氧化物中必然存在着硅的过剩，等待着与氧进行反应，当氧 化终止时，这些硅离子固定下来而产生正电荷。当然在氧化硅内部也存 在着Si悬挂键结构。
（3）网络形成剂和网络调节剂
掺入的电离杂质，按其在二氧化硅网络中的位置和作用，可以分为两类： 网络形成剂和网络调节剂。有少数杂质（如铝）两种作用都具备。
在硅-氧四面体中可以取代硅原子并形成网络的一种杂质，称为网络形 成剂，又称为替位式杂质。常见的网络形成剂有硼、磷、锑等正离子， 它们的特点是离子半径与Si原子的半径相近或更小。
磷（P5+）掺入后，其配位数由5变为4，结果造成二氧化硅中剩氧状态， 使网络中非桥键氧离子浓度增大，二氧化硅膜的强度减弱。
1. 氧化硅的结构和性质
处于Si-O四面体网络空隙中孔洞位置的那一类杂质，称为网络调节剂， 又称为间隙式杂质。最常见的网络调节剂有Na、K、Pb、Ca、Ba等正 离子，其特点是离子半径较大。这类杂质多以氧化物的形式掺入二氧 化硅膜，电离后，杂质正离子将占据网络空隙位置，而氧离子进入网 络，使得在一个桥键氧处出现两个非桥键氧。例如Na2O的掺入反应为：
由于非桥键氧浓度增大，二氧化硅网络中出现更多的孔洞，使结构强 度减弱、熔点降低。而且这类杂质在外电场和温度的作用下，会在二 氧化硅中运动，影响器件稳定性和可靠性。
1. 氧化硅的结构和性质
SiO2层中的可动离子电荷主要就是指由于沾污而引入的钠、钾、氢等 正离子，其中最主要的是Na离子。
在未进行温度偏压（BT）处理前， Na+大多数集中在SiO2与金属界面 靠近金属的陷阱内，对硅表面性质影响不大。
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1. 氧化硅的结构和性质 2. Si-SiO2系统 3. 氧化硅的击穿模型 4. 检测氧化硅质量的方法
1. 氧化硅的结构和性质
（1）二氧化硅的结构
二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成 的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个 相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络 结构。