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



带； 2. 电子从电子陷阱中隧穿到硅的导带； 3.导带中的电子释放能量将电子陷阱中的 电子激发至氧化硅的导带； 4. 电子在阳极界面释放能量，将一个电 子从硅的价带激发至硅的导带，同时产 生一个空穴； 5. 能量大于9eV的电子碰撞产生电子空穴 对； 6. 电子释放能量破坏Si-H键，使H离子向 阴极运动；
3. 氧化硅的击穿模型
如果电子的能量大于Si-O的键能4.25eV，而且在与晶格碰撞后，释放
的能量大于4.25eV，则按照上面的方程式会产生硅悬挂键或氧悬挂键。 而硅悬挂键或氧悬挂键为了获得稳定的8个电子的外层结构，就可能俘 获一个电子，表现出陷阱的行为。能量大于9eV的电子通过碰撞电离 还可以激发电子-空穴对。如果是Si-X键，其键能一般小于Si-O键能， 更容易受到电子的破坏。 如果电子释放的能量不足以破坏Si-O键，释放的能量也可能使Si-O键 受到扭曲，形成Si-O或Si-Si弱键。此外，氧化硅中还存在一些在加电 学应力前已经存在的硅悬挂键、氧悬挂键、Si-O或Si-Si弱键，会被以 后的电子碰撞所破坏。大量的电子在穿过氧化硅时，产生陷阱的行为 是随机的，可以认为陷阱在氧化硅中的分布是随机的。
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。 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。 而进行负BT处理，可把Na+离子驱至金属和SiO2界面。
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：
上面描述的这些物理结构即陷阱，在俘获了载流子后，它们与杂质离
子一起形成了Si-SiO2系统的几种电荷，SiO2层中的可动离子电荷、固 定氧化物电荷、界面陷阱电荷、氧化物陷阱电荷。另外，还有存在于 SiO2层外表面的正负离子电荷。
2. Si-SiO2系统
图11 Si-SiO2系统中的电荷
3. 氧化硅的击穿模型
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
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，
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。 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。
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。 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
图9 氧悬挂键结构
图10 硅悬挂键为杂质原子饱和
2. Si-SiO2系统
氧化硅内部的硅悬挂键和氧悬挂键实际上就是氧化硅中的陷阱，而界
面处的硅悬挂键和Si-Si、Si-O弱键实际上就是界面陷阱。
这些陷阱反应了氧化硅结构的损坏，而同时又具有俘获和释放载流子
的性质，正是因为陷阱的这两个特性，使我们可以通过电学测试研究 氧化硅结构的损伤。
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
（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。
（1）加氧化硅上的电压Vox
加在氧化硅上的电压Vox与我们测量得到的加在栅极上的电压Vg实际上
是不一样的。栅压Vg除了有一部分降在氧化层上以外，还有一部分降 在半导体的表面势Ψs上，一部分用来补偿多晶硅和衬底单晶硅的功函 数Φms，此外，还有一部分用来抵消陷阱电荷的影响（这部分可忽略）。 在初始状态下，也就是第一次给MOS电容施加电应力时，栅压Vg由三 部分组成：
任娜-WEEKLY-REPORT-20121110 氧化层击穿原理研究
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
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
图14 电子在氧化层中的输运
3. 氧化硅的击穿模型
当电场在5~13MV/cm时，电子到达阳极时的能量一般在4~9eV的范围
内。所谓界面态和陷阱的产生，实际上是氧化硅的结构受到损坏后， 在电学上的一种体现。高能电子破坏Si-O键可能有以下几种形式： 如果将O用X代替，就可以表示杂质离子（X）与Si形成的键受到电子 破坏的过程。
（d）
3. 氧化硅的击穿模型
（2）氧化硅中电子的遂穿
以n+poly-SiO2-Si结构为例，硅与氧化硅之间形成的势垒高度Φb=3.25V， 在一定栅压Vg下，当加在MOS电容氧化层上的电压Vox>Φb时，电子穿 过三角形势垒注入到SiO2的导带中，形成可测量的Fowler-Nordheim隧穿 电流， Vox<Φb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。
图15 载流子在氧化硅中的行为
3. 氧化硅的击穿模型
7. 电子被电子陷阱俘获； 8. 电子陷阱释放电子； 9. 空穴与电子陷阱中的电子复合； 10. 电子陷阱释放一个空穴； 11. 产生的空穴被空穴陷阱俘获； 12. 空穴陷阱释放一个空穴； 13. 电子与空穴陷阱中的空穴复
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
（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