Накопление и нейтрализация заряда на ловушках в оксиде

При подаче на затвор положительного смещения дырки переносятся по направлению к границе Si/SiO₂. Вблизи границы вследствие диффузии кислорода из оксида и несоответствия решеток на границе имеется большое количество кислородных вакансий [8, 13, 15–17, 23] (см. п. 3.1.1). Эти кислородные вакансии могут выступать в роли центров прилипания. При приближении дырок к границе часть из них захватывается. Количество захваченных дырок определяется сечением захвата вблизи границы, которое сильно зависит от технологии изготовления прибора: в стойких оксидах захватывается лишь несколько процентов от общего числа дырок, в то время как в нестойких оксидах захватывается 50–100 % дырок. Положительный заряд, обусловленный захваченными дырками, вызывает появление отрицательного сдвига порогового напряжения как в n-, так и в р-канальных транзисторах.

Исследования накопления заряда на ловушках в оксиде в зависимости от напряженности электрического поля показали [24], что при напряженности поля свыше 0,5 В/см величина накопленного заряда спадает с ростом напряженности поля в оксиде приблизительно пропорционально Е^–1/2. Аналогичная зависимость наблюдается для сечения захвата дырок вблизи границы Si/SiO₂ [25–29]. Это говорит о том, что накопление заряда в оксиде определяется в первую очередь сечением захвата дырок.

Параллельно с захватом заряда в оксиде протекает процесс его нейтрализации. К пониманию механизмов нейтрализации захваченного в оксиде заряда можно прийти, рассмотрев влияние на ее кинетику температуры и электрического поля. Кинетика нейтрализации при комнатной температуре захваченного в оксиде заряда показана на рис. 3.15 [30]. Здесь представлена зависимость вклада заряда в оксиде в сдвиг порогового напряжения DV_ot от времени для стойких n-канальных транзисторов с поликремниевым затвором при их облучении дозой 100 крад(SiO₂) при мощности дозы от 6×10⁹ до 0,05 рад(SiO₂)/с и последующем отжиге при комнатной температуре. Напряжение смещения при облучении и отжиге составляло 6 В, а толщина подзатворного диэлектрика транзисторов равнялась 60 нм.

Из рис. 3.15 видно, что при отжиге DV_ot спадает в зависимости от времени по логарифмическому закону, причем после облучения одной и той же дозой, но в течение разного времени (т.е. при различных значениях мощности дозы) сдвиг порогового напряжения DV_ot попадает на одну и ту же линию (приблизительно линейная зависимость DV_ot от логарифма времени). Таким образом, приведенные на рис. 3.15 данные говорят о том, что скорость нейтрализации захваченного в оксиде заряда не зависит от мощности дозы. В реальности скорость нейтрализации зависит от особенностей технологии изготовления прибора [13].

Рис. 3.15. Нейтрализация при комнатной температуре заряда, захваченного в оксиде транзисторов, облученных дозой 100 крад(SiO₂) при значении мощности дозы от 6×10⁹ до 0,05 рад(SiO₂)/с [30]

Показанный на рис. 3.15 логарифмический спад величины DV_ot в зависимости от времени характерен для большинства стойких и коммерческих технологий. В случае некоторых коммерческих технологических вариантов наблюдается значительно меньшая нейтрализация заряда оксида [31]. Для этих технологий вследствие малой скорости нейтрализации заряда наблюдаются приблизительно одни и те же значения DV_ot вне зависимости от того, облучались эти приборы при средней мощности дозы или при очень низкой мощности дозы.

Влияние температуры на нейтрализацию накопленного в оксиде заряда исследовалось довольно подробно во многих работах. При этом было обнаружено, что в некоторых технологических вариантах нейтрализация заряда в оксиде зависит от температуры, а в некоторых вариантах практически не зависит от нее [32, 33]. Пример для технологического варианта, характеризующегося температурной зависимостью нейтрализации, представлен на рис. 3.16 [32]. Здесь показан график зависимости порогового напряжения от времени для стойких n-канальных транзисторов, облученных при комнатной температуре дозой 1 Мрад(Si) и затем отожженных при разных температурах с подачей электрического смещения. Напряжение смещения при облучении и отжиге составляло 10 В, а толщина оксида была равна 45 нм. В данных транзисторах рост порогового напряжения в процессе отжига после облучения практически полностью определяется снижением заряда в оксиде. Изменение заряда поверхностных ловушек во время отжига для этих транзисторов очень мало (будет обсуждено
далее).

Рис. 3.16. Температурная зависимость нейтрализации захваченного в оксиде заряда (изменение порогового напряжения определяется уменьшением захваченного в оксиде заряда) [32]

Из рис. 3.16 видно, что повышение порогового напряжения, а соответственно и снижение заряда в оксиде, в большой степени определяются температурой. Время
50-процентной нейтрализации заряда, накопленного в оксиде, приблизительно варьируется в пределах от 4,3×10⁵ с при 25 °С до 1,1×10⁴ с при 125 °С. Это дает значение энергии активации ~ 0,41 эВ [32]. Представленные результаты говорят о том, что для данных технологических вариантов возможно моделирование нейтрализации заряда, накопленного в оксиде, которая наблюдается при низкоинтенсивном космическом облучении, путем облучения транзисторов при помощи лабораторных радиационных источников с последующим отжигом при повышенных температурах. В любом случае температурная зависимость будет определяться энергетическим распределением ловушек в оксиде, что будет рассмотрено ниже.

Нейтрализация заряда, накопленного в оксиде, также зависит от напряжения смещения. На рис. 3.17 [32] показаны графики зависимости DV_ot от времени для n-канальных транзисторов, облученных при комнатной температуре дозой 1 Мрад(Si) и отожженных при температуре 100 °С при подаче смещения. При облучении подавалось напряжение смещения 10 В, а при отжиге это напряжение менялось от 0 до 10 В. Толщина оксида равнялась 45 нм. Для усиления процесса нейтрализации заряда в оксиде отжиг проводился при температуре 100 °С (отжиг при комнатной температуре дает качественно схожие результаты). Для этих транзисторов повышение напряжения смещения при отжиге значительно усиливает нейтрализацию заряда в оксиде и повышает величину нейтрализованного заряда [32, 34]. При подаче напряжения 0 В за 200 ч отжига нейтрализуется только 50 % накопленного в оксиде заряда, в то время как при 10 В нейтрализуется практически 100 % заряда в оксиде.

Рис. 3.17. Зависимость нейтрализации захваченного в оксиде заряда от приложенного напряжения смещения [32]

Рис. 3.18. Изменение величины захваченного в оксиде заряда при переключении в процессе отжига напряжения на затворе облученных транзисторов [32]

Нейтрализация накопленного в оксиде заряда часто бывает обратимой [13, 32, 35, 36]. На рис. 3.18 [32] представлен график зависимости DV_ot для n-канальных транзисторов, облученных дозой 1 Мрад(Si) при комнатной температуре, отожженных в течение 200 ч при 100 °С с подачей напряжения 10 В, и затем дополнительно отожженных при 100 °С в течение 30 ч при подаче напряжения –10 В. При отжиге с подачей положительного напряжения (+10 В) DV_ot полностью нейтрализуется (в пределах погрешности эксперимента). После переключения напряжения с положительного на отрицательное вновь появляется некоторый накопленный в оксиде заряд. Это говорит о том, что в данных условиях (напряжение, температура) значительная часть дефектов, ответственных за накопление заряда в оксиде, не отжигается окончательно, а всего лишь изменяет свое зарядовое состояние. Если циклически менять полярность приложенного смещения, то подобные снижения и повышения величины DV_ot могут наблюдаться в течение многих циклов [35, 36].

Исследования энергетического распределения ловушек в оксиде [37], проведенные с помощью методов, основанных на измерении термостимулированных токов и ВФХ, показали, что для многих различных технологических вариантов МОП-структур наблюдается приблизительно одинаковая форма энергетического распределения ловушек в оксиде: имеется небольшой пик в районе E_V + 1,2 эВ и ярко выраженный широкий пик с уровнем
E_V + (1,7–2,0) эВ. Однако в некоторых случаях первый пик может и не наблюдаться.