3.3.7 Латентное накопление поверхностных состояний

После «нормального» насыщения поверхностных ловушек в течение 10²–10⁵ с после облучения может наблюдаться существенное увеличение числа ПС [13, 48]. Данный процесс называется латентным накоплением ПС. Латентное накопление ПС может протекать в течение длительного времени после облучения (> 10⁶ с) и может быть вполне существенным. Данный процесс проиллюстрирован на рис. 3.25 [13]. Здесь показан график зависимости сдвига порогового напряжения V_it, обусловленного ПС, нормализованного на свое максимальное значение, от времени для коммерческих р-канальных транзисторов, облученных дозой 75 крад(SiO₂) и отожженных при 25 С. Во время облучения и отжига прикладывалось напряжение смещения 6 В.

Рис. 3.25. Латентное накопление поверхностных состояний, зарегистрированное в коммерческих р-канальных транзисторах [13]

Обычное накопление ПС остановилось на значении V_it / V_it max = 0,3 спустя 300 с после облучения. После этого наблюдается «окно» в интервале от ~300 до 10⁶ с, в пределах которого нет никакого накопления ПС («нормальное» насыщение). Спустя приблизительно 10⁶ с после облучения наблюдается значительное повышение заряда ПС. Это последнее увеличение представляет собой латентное накопление ПС. Как видно из рис. 3.25 латентное накопление ПС может повысить плотность заряда ПС до уровня, в три раза превышающего плотность ПС после «нормального» насыщения, измеренную спустя 300 с после облучения. Данные на рис. 3.25 приведены для транзисторов, изготовленных по коммерческой технологии. Латентное накопление также может наблюдаться и в случае некоторых радиационно-стойких технологических вариантов [13]. Латентное накопление сопровождается быстрым спадом подвижности носителей заряда и величины захваченного в оксиде заряда [1].

Латентное накопление является сильно термически активируемым процессом с энергией активации 0,47 эВ [13, 48]. Следует отметить, что эта энергия активации существенно ниже, чем энергия активации для «нормального» накопления ПС (~ 0,7–0,8 эВ, см. п. 3.3.6). Однако, энергия активации для латентного накопления в пределах погрешности эксперимента равна энергии активации отжига захваченных дырок (~ 0,41 эВ, см. 3. 4.3.4) и энергии активации диффузии молекулярного водорода в объемно-плавленном кварце (~ 0,45 эВ [49]).

Было предложено два возможных механизма латентного накопления [48]. Первый — это прямое превращение оксидных ловушек в ПС или «граничные ловушки». Граничные ловушки — это оксидные ловушки, которые могут взаимодействовать с кремнием в пределах времени эксперимента и вести себя электрически подобно ПС [50]. Конверсия оксидных ловушек в ПС может произойти при туннелировании электронов из кремния на оксидные ловушки во время отжига с подачей смещения. Поскольку электроны нейтрализуют ловушки в оксиде, то заряд на оксидных ловушках будет снижаться и, возможно, будет иметь место соответствующее накопление ПС вследствие высвобождения ионов водорода (будет обсуждено ниже) в процессах нейтрализации. Второй возможный механизм латентного накопления объясняется высвобождением атомов водорода в смежных структурах во время облучения и диффузией атомов водорода к границе Si/SiO₂. Энергия активации латентного накопления в пределах погрешности равна энергии активации диффузии молекулярного водорода в объемном плавленом кварце (~ 0,45 эВ) [49]. Вблизи границы атомы водорода распадаются на положительно заряженных оксидных ловушках, образуя ионы водорода. После этого ионы водорода свободны для дрейфа к границе Si/SiO₂ и образования там ПС (будет обсуждено ниже).

Ясно, что большое встраивание ПС в течение длительного времени важно для космических систем. Латентное накопление ПС может ухудшить производительность ИС в космических системах и может привести к долговременному отказу систем. Латентное накопление ПС не всегда можно предсказать путем лабораторных измерений. В тех случаях, когда известно, что имеет место латентное накопление, можно увеличить запасы при испытаниях или время отжига после облучения, используемого для моделирования космической среды [48].