3.3.11 Граничные ловушки

В предыдущих разделах речь шла о двух основных типах заряда, накапливающегося при облучении в МОП-структурах — это заряд, захваченный в оксиде, и заряд поверхностных состояний. В п. 3.3.5 говорилось, что электроны, туннелирующие из кремния на ловушки в оксиде, могут нейтрализовать эти ловушки. Данный процесс может пойти и в обратном направлении, если подать отрицательное смещение. Время, необходимое для нейтрализации ловушек, зависит от удаленности ловушки от границы Si/SiO₂. Таким образом, ловушки, расположенные близко к границе могут легко обмениваться зарядом с кремнием, а ловушки, удаленные от границы, могут вообще не обмениваться зарядом с кремнием. Если обмен зарядом между ловушками и кремнием происходит в пределах времени измерений, то такие ловушки по своим свойствам ближе к ПС, чем к оксидным ловушкам. Ловушки такого типа называются граничными ловушками [50] (в англоязычной литературе — border traps).

Расположение в МОП-приборах граничных и оксидных ловушек, а также ПС, показано на рис. 3.30 [50]. Скорость процесса туннелирования электронов из кремния в оксид задается выражением (4.23). При увеличении расстояния от границы временные рамки процесса туннелирования возрастают экспоненциально. Таким образом, граничные ловушки могут располагаться очень близко к границе Si/SiO₂. В первом приближении можно считать, что туннелирующие электроны могут пассивировать практически весь захваченный в SiO₂ заряд, локализованный в пределах ~3 нм как от границы Si/SiO₂, так и от границы затвор/SiO₂ [13, 39, 50]. При изменении времени туннелирования на порядок это расстояние меняется в пределах 0,25 нм. Таким образом, ловушки, удаленные от границы менее чем на ~3 нм, могут легко перезаряжаться, и они обозначаются как граничные ловушки. Данные ловушки отличаются от оксидных ловушек, которые удалены от границы более чем на 3 нм и не могут легко обмениваться зарядом с границей [50]. Однако точная граница между оксидными и граничными ловушками будет зависеть от условий изготовления приборов и частоты, на которой проводятся измерения. Следует отметить, что в роли как оксидных, так и граничных ловушек, могут выступать одни и те же центры (например, E’_-центр).

Рис. 3.30. Иллюстрация концепции граничных ловушек (граничные ловушки — это оксидные ловушки, лежащие вблизи границы раздела) [50]

Эксперименты по определению количества граничных ловушек проводились на основе объединения измерений порогового напряжения и измерений по методу накачки заряда на n- и р-канальных транзисторах [63]. В некоторых случаях число граничных ловушек, измеренное на облученных МОП-транзисторах, превышало число радиационно-индуцированных ПС, т.е. в ряде приборов число граничных ловушек может быть вполне значительным.

При определении того, как ведут себя ловушки, подобно граничным ловушкам или оксидным ловушкам, несомненно, важную роль играет частота измерительного сигнала. Например, при измерениях ВАХ со скоростью развертки ~4 В/с (что эквивалентно частоте ~1–4 Гц) оксидные ловушки, лежащие в пределах ~3 нм от границы, могут быть приняты за ПС. С другой стороны, при измерениях по методу накачки заряда, которые обычно проводятся при высокой частоте (~1 МГц), ловушки, определенные при измерениях ВАХ как ПС и удаленные от границы на то же расстояние, могут не быть идентифицированы как ПС. Это проиллюстрировано на рис. 3.31 [13]. Здесь показан график зависимости захватываемого и испускаемого ловушками заряда для ПС или граничных ловушек (рекомбинируемый заряд за цикл) от частоты для МОП-транзисторов, облученных дозой 1 Мрад(Si). Сигнал накачки заряда разворачивался в пределах от инверсии до аккумуляции. При частоте ниже ~1 кГц наблюдается быстрый рост рекомбинируемого заряда с понижением частоты. При меньших частотах электроны могут туннелировать глубже в оксид, заполняя и освобождая большее число оксидных ловушек. Таким образом, при снижении частоты возрастает количество проявляющихся при измерениях оксидных ловушек, которые могут обмениваться зарядом с кремнием.

Рис. 3.31. Величина рекомбинируемого заряда в зависимости от частоты, на которой проводятся измерения [13] (рост рекомбинируемого заряда определяется заполнением и освобождением граничных ловушек)

Концепция граничных ловушек полезна для объяснения различных явлений, определяющихся дефектами, расположенными вблизи границ раздела. Например, в настоящее время имеются доказательства того, что 1/f-шум практически полностью определяется приграничными оксидными ловушками [13, 15. 50]. В зависимости от метода измерений ловушки, расположенные в оксиде вблизи границы раздела с кремнием, могут быть определены и как оксидные ловушки, и как ПС. Таким образом, хотя речь идет об одних и тех же дефектах, в одних случаях 1/f-шум коррелирует с количеством оксидных ловушек, а в других — с количеством ПС [13]. В последнем случае считается, что 1/f-шум связан с количеством P_b-центров. Наилучшим образом 1/f-шум коррелирует с числом граничных ловушек. Таким образом, если различать ПС (P_b) и граничные ловушки, то можно разобраться в некоторой путанице, имеющейся в литературных данных по 1/f-шуму.