众所周知，Si之所以能取代Ge成为集成电路行业的主流材料，一个重要原因是SiOx的存在。SiOx很容易生长，是优良的绝缘材料，可以作为电容的介质材料和金属层间绝缘材料，还可以作为离子注入的阻挡层避免隧道效应，避免Si表面受到沾污等。本文介绍的是SiOx在改善器件参数方面的特殊作用。SiOx不仅是优秀的绝缘材料，当SiOx的厚度减小到一定的程度时，还可以作为一种宽禁带半导体存在，用来改善晶体管的参数。

1 SiOx在改善横向pnp晶体管放大倍数上的作用

如图1所示横向pnp晶体管，其发射极是通过对"基极"多晶硅(对于npn型晶体管来讲是基极多晶硅，在横向pnp晶体管中是发射极多晶硅，因为横向pnp是在npn晶体管制作的同时完成的，所以称为"基极"多晶硅)离子注入后扩散进入单晶硅形成的。在横向pnp中，垂直方向上发射的空穴横向运动到达集电极形成集电极电流，也与基区电子复合形成基极电流的一部分。为了增大横向pnp的放大倍数，必须减小基极电流或扩大集电极电流。

为了对npn晶体管的放大倍数进行控制，利用量子力学隧穿理论，在发射极多晶硅淀积之前用快速热氧化的方法生长一层非常薄的SiOx(大概1nm)。是不是可以用同样的方法来提高横向pnp晶体管的放大倍数呢?下面的实验仿照npn晶体管的条件，在淀积"基极"多晶硅之前加入了快速热氧化工艺，长一层SiOx，实验结果如表1。

可见在淀积"基极"多晶硅之前加入一层很薄的SiOx可以极大地提高横向pnp管的放大倍数。是什么机理导致横向pnp晶体管的放大倍数极大的提高呢?用量子力学隧穿理论显然是解释不通的，因为这层SiOx的引入会引人大概1.1 eV的空穴势垒和大概0.4 eV的电子势垒，使集电极的电流降低，因而横向pnp晶体管的放大倍数应该是降低的。SiOx作为优秀的绝缘材料是在假设氧化层是连续的并且厚度一致的基础上的，但实际上的氧化层并不是完美的，测量得到的这层SiOx对电子和空穴的势垒分别是0.4 eV和1.1 ev，远小于理论上的3.1和4.7 eV。说明这层SiOx是不完美的，x值取12。对这层SiOx的解释为：将这层SiOx的厚度选为4 nm，禁带宽度选为2.12 eV，与Si的导带和禁带各偏移0.5 eV，这种假设对于这层SiOx是合理的；多晶硅的掺杂浓度选为5×1019cm-3，是典型的实际应用浓度；界面氧化层的浓度选为3×1020cm-3，因为As在多晶硅和SiOx界面上分离堆积的缘故。

如图2所示，因为界面氧化层的禁带宽度和Si的禁带宽度不一样，在导带和价带中都形成了势垒(φ)。由于宽禁带处电荷的耗尽，导带和价带在界面氧化层处发生了弯曲，同时在多晶硅和单晶硅处出现了电荷的堆积。在导带上能带的弯曲增加了少数载流子(电子)的势垒高度，在价带上的能带的弯曲减小了多数载流子(空穴)的势垒高度。假定界面上能带弯曲一半形成势垒，图2的电子势垒会增加到0.65 eV而空穴的势垒会降到0.31 eV。这样，pnp晶体管的放大倍数会增加，发射极电阻也会有所增加。这很好地解释了实验结果，也很好地解释了这层SiOx对npn型晶体管放大倍数的作用，在此不作详述。

2 SiOx对npn晶体管的放大倍数和扩散致窄电阻的改善

根据双极型晶体管的基本工作原理，放大倍数是由集电极电流和基极电流共同决定的。现代双极型晶体管的基区和发射区的宽度都小于少子的扩散长度，基极电流由发射区的参数决定，而集电极电流由基区参数决定。扩散致窄电阻是做在基区上的，其阻值直接受基区的掺杂浓度控制，同时因为发射极和集电极的结深会影响扩散致窄电阻的截面积，对扩散致窄电阻的阻值会有重要的影响。理论和实验均表明，用调节基区掺杂浓度的方法在降低npn晶体管放大倍数的同时，也降低了扩散致窄电阻的阻值，那么如何能够在降低npn晶体管放大倍数的同时增加扩散致窄电阻的阻值呢?发射极是通过对多晶硅注入然后再高温扩散进入单晶硅形成的，扩散时多晶硅的表面覆盖一层SiOx。在实际生产中，快速热处理的工艺腔很容易被沾污，故怀疑是热处理过程中的离子沾污，而造成离子沾污的原因可能是覆盖的氧化层厚度不够。如果有足够厚度的氧化物覆盖在发射极多晶硅上，As会更多地进入单晶硅使得发射极的结深会更深一点，扩散致窄电阻的厚度会变小，阻值相应的升高；另一方面，发射区载流子浓度的改变和结深的变化的综合效果可能会降低npn晶体管的放大倍数。为了验证上述假设，设计了如下的实验：部分硅片在快速热处理之前淀积一层SiOx并跟其他的标准工艺下的Si片一起进行快速热处理，实验结果如表2。 

可见，在进行快速热处理之前淀积一层SiOx，npn的放大倍数降低的同时，扩散致窄电阻增大，达到了预期的设想。

需要指出的是，加入的氧化层增加了接触电阻，但已通过优化钛淀积之前的清洗工艺和无定型Si的注入能量得到了很好的解决。

3 结论

不连续的SiOx作为宽禁带半导体材料被加在多晶硅和单晶硅的界面处，有效地提高了横向pnp晶体管的放大倍数。连续SiOx作为优秀的绝缘材料，覆盖在发射极多晶硅的表面，确保了As在快速热处理后的分布，从而使npn的放大倍数降低的同时增加了扩散致窄电阻的阻值。改善上述器件参数的课题是在实际生产中提出的，通过对SiOx的巧妙应用，获得了完美的解决。