二氧化硅-硅系统中的电荷

课程内容： 1 电荷综述 1.1 可动离子电荷 1.1.1 可动离子电荷的性质 1.1.2 可动离子电荷的来源 1.1.3 可动离子电荷在二氧化硅中的分布 1.2 固定氧化物电荷 1.2.1 固定氧化物电荷的分布 1.2.2 固定氧化物电荷的来源 1.2.3 固定氧化物电荷的性质 1.3 界面 二氧化硅-硅系统中的电荷是微电子学和半导体技术中的关键概念，特别是在 MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）和其他集成电路的制造中。这些电荷类型包括可动离子电荷、固定氧化物电荷、界面陷阱电荷、氧化物外表面电荷和氧化物陷阱电荷，每一种都对器件性能有着显著影响。 1. **可动离子电荷**：主要由金属正离子和氢离子构成，其中钠离子是最重要的来源之一。它们来源于制造过程中的污染，如设备、化学试剂、操作人员的接触等。这些电荷主要分布在二氧化硅靠近硅界面的一侧。 2. **固定氧化物电荷**：主要由二氧化硅中的过剩硅离子（氧空位）产生，位于二氧化硅-硅界面的二氧化硅一侧，距离界面大约100到200埃的范围内。这些固定正电荷会影响器件的阈值电压和电容特性。 3. **界面陷阱电荷**：源于二氧化硅与硅界面处的硅残余悬挂键，通常表现为固定电荷，可能导致器件性能不稳定，尤其是对MOS器件的栅极电容和阈值电压有直接影响。 4. **氧化物外表面电荷**：主要由加工过程中引入的杂质沾污形成，分布在二氧化硅的外表面，正负离子沾污可能相等，但通常在无外电场时影响较小。 5. **氧化物陷阱电荷**：由高能粒子或辐射导致，随机分布在二氧化硅内部，会改变二氧化硅的电导率并影响器件性能。 这些电荷的存在会导致硅表面趋向于N型转化，影响MOS管、MOSIC、双极晶体管和双极IC的性能，甚至降低二氧化硅的介电强度，使得其在较低电压下就可能发生击穿。为了减轻这些负面影响，可以采取以下预防措施： - **加强工艺卫生**：严格要求操作人员，使用无钠工具和工艺，避免钠离子污染。 - **去除钠离子**：通过氧化后腐蚀二氧化硅、磷硅玻璃层的使用或掺氯氧化工艺来去除。 - **选择合适的晶片**：在制造MOS器件或大型集成电路时，选用（100）面晶片，以减少界面缺陷。 理解这些电荷的性质、来源和分布对于优化半导体器件的性能至关重要，同时，掌握相应的消除策略是保证器件可靠性和稳定性的重要环节。在微电子制造中，深入研究和控制二氧化硅-硅系统中的电荷现象对于提升芯片性能和减少故障率具有重要意义。