3.3.3 Перенос дырок через SiO2

Генерированные в оксиде дырки переносятся через решетку оксида значительно медленнее, чем электроны [3, 8, 13, 15–17]. В присутствии электрического поля дырки могут перемещаться как к границе затвор/SiO₂, так и к границе Si/SiO₂. По мере перемещения по SiO₂, дырки, благодаря своему заряду, вызывают искажение поля локальных потенциалов в решетке SiO₂. Эти локальные искажения увеличивают глубину ловушек в локализованных местоположениях, что приводит к захвату дырок в непосредственной близости к ловушкам. Таким образом, в сущности, дырки стремятся захватываться на локализованные состояния. Объединение заряженного носителя (дырки) и его поля напряжений известно как полярон [13]. По мере перемещения дырок через решетку искажения следуют за дырками. Следовательно, дырки переносятся через SiO₂ посредством «перескакивания поляронов» [13]. За счет этого повышается эффективная масса дырок и снижается их подвижность.

Вследствие перескакивания поляронов перенос дырок становится дисперсным (т.е. перенос дырок происходи в течение многих порядков величин по времени после воздействия импульса радиации) и сильно зависящим от температуры и толщины оксида [13]. Дисперсная природа переноса дырок и его температурная зависимость проиллюстрированы на рис. 3.12 [21]. Здесь показаны зависимости от времени сдвига напряжения плоских зон МОП-конденсатора V_fb для нескольких различных температур отжига во время и после облучения. Толщина оксида составляла 96,3 нм, кремниевая подложка была n-типа, и электрическое поле во время и после облучения составляло 1 МВ/см. Конденсатор облучался дозой 30 крад(SiO₂) одиночным импульсом с длительностью 4 мкс. Как будет показано ниже, количество поверхностных ловушек вскоре после импульса ионизирующего излучения невелико, и в результате при этих измерениях сдвиг напряжения плоских зон является индикатором количества дырок, присутствующих в оксиде.

Рис. 3.12. Температурная зависимость сдвига напряжения плоских зон для МОП-конденсатора с металлическим затвором после воздействия одиночного импульса ИИ [21] (сдвиг напряжения плоских зон является мерой количества дырок в оксиде)

Общее количество дырок включает в себя дырки, перемещающиеся по оксиду, и дырки, захваченные в оксиде. По мере того, как дырки покидают оксид, напряжение плоских зон будет понижаться, стремясь к своему исходному значению до облучения. Восстановление напряжения плоских зон наблюдается в течение многих порядков величины по времени, и это сильно термически активированный процесс. При Т = 293 К время 50-процентного восстановления составляет менее 1 мс. При температурах 124 и 141 К в течение 1000 с наблюдается лишь небольшое (~20 %) восстановление.

Влияние напряженности электрического поля в оксиде на время переноса дырок проиллюстрировано на рис. 3.13 [22]. Здесь показан сдвиг напряжения плоских зон, измеренный на конденсаторах с толщиной оксида 96,3 нм и нормированный на величину сдвига напряжения плоских зон, измеренного непосредственно сразу после облучения конденсаторов импульсом ионизирующего излучения с длительностью 4 мкс при температуре 79 К и напряженности электрического поля 1 МВ/см. Для минимизации переноса дырок в слабых электрических полях конденсаторы облучались при температуре 79 К. Электрическое поле при облучении и отжиге варьировалось от 3 до 6 МВ/см. Как видно из рисунка, время восстановления напряжения плоских зон, а, следовательно, и время переноса дырок, сильно зависит от напряженности электрического поля. При электрическом поле 3 МВ/см наблюдалось очень небольшое восстановление при наибольшем времени измерений (1000 с). Таким образом, в отсутствие электрического поля в оксиде при низких температурах дырки относительно неподвижны. При высоких значениях напряженности электрического поля время переноса дырок существенно снижается. При электрическом поле 6 МВ/см время 50-процентного восстановления напряжения плоских зон составляет приблизительно 0,02 с.

Рис. 3.13. Зависимость сдвига напряжения плоских зон после воздействия одиночного импульса ИИ от электрического поля [22] (сдвиг напряжения плоских зон является мерой количества дырок в оксиде)

Зависимость времени восстановления  от температуры и напряженности электрического поля можно охарактеризовать соотношением [22]

, (3.21)

где Е — напряженность электрического поля; Т — температура; с и (0) — постоянные.

Такое поведение характерно для поляронного прыжкового механизма переноса.

Влияние толщины оксида на время восстановления напряжения плоских зон показано на рис. 3.14 [22]. Здесь представлены графики восстановления напряжения плоских зон при температуре 220 К и напряженности электрического поля 1 МВ/см, приложенных при облучении и отжиге, при различных значениях толщины оксида. Сдвиг напряжения плоских зон на этом рисунке нормирован на величину сдвига напряжения плоских зон для конденсатора с толщиной оксида 96,3 нм, измеренного сразу после облучения импульсом ИИ с длительностью 4 мкс при температуре 79 К и напряженности поля 1 МВ/см, от логарифма времени. Конденсаторы изготавливались с оксидами, выращенными в одинаковых условиях, но в течение разного времени. Представленные на рис. 3.14 данные говорят о том, что время 50-процентного восстановления напряжения плоских зон приблизительно пропорционально t_ox⁴ [13, 22].

Рис. 3.14. Зависимость сдвига напряжения плоских зон после воздействия одиночного импульса ИИ от толщины оксида [22] (сдвиг напряжения плоских зон является мерой количества дырок в оксиде)

Приведенные выше данные говорят о том, что в случае тонких подзатворных оксидов при типовых электрических режимах и при комнатной температуре перенос дырок заканчивается в течение микросекунд после воздействия импульса ИИ. Для толстых полевых оксидов или захороненных оксидов в КНИ-структурах, в которых имеют место очень слабые электрические поля, перенос дырок может протекать в течение миллисекунд или более того.