Методическое пособие 277

(суперлинейной) и тормозящей (логарифмической) частей для

VFB(t).

В работе /9/ исследовались структуры на подложках n- типа с толщиной окисла 500 Å и молибденовым затвором. Инжекция производилась импульсами напряжения, обеспечивающего напряженность поля в окисле (6–11)·106 В/см и полярностью, соответствующей обогащению приповерхностной области полупроводника основными носителями. Авторы показали, что на основании проведенных экспериментов можно составить следующую модель при инжекции носителей заряда в окисел по механизму Фаулера-Нордгейма: при относительно низких электрических полях в диэлектрике (< 8,5 106 В/см), происходит монополярная инжекция электронов с последующим захватом на ловушки в диэлектрике, которая достигает насыщения при значениях, в значительной степени определяемых условиями выращивания окисла. При повышении поля в окисле (до 9 106 В/см) инжекция электронов сопровождается ударной ионизацией в диэлектрике, вызывающей генерацию электронно-дырочных пар и захват дырок вблизи границы раздела Si–SiO2. Существенным является то, что процесс встраивания положительного заряда в диэлектрике происходит не по всей площади МДП структуры, а начинается в областях с повышенной напряженностью электрического поля, например, на периферии металлического электрода, локальных неоднородностях с последующим расширением этих областей с рос-

том Eox и Qinj.

Наблюдаемые изменения C-V-характеристики связаны не с “радиационным” пиком плотности поверхностных состояний, а с изменением соотношения площадей областей с различным знаком встроенного в диэлектрик заряда и разной величиной заряда в этих областях.

Авторы работы /10/ исследовали МОП структуры на подложках n- и p-типа и поликремниевым затвором при приложении постоянного положительного и отрицательного смещения. Толщина окисла 100–330 Å. Наблюдаемая генера-

ция отрицательного заряда при инжекции Фаулера-Нордгейма

21 22

может быть обусловлена двумя процессами: захватом электронов на существующие ловушки и созданием новых электронных ловушек. Создание новых ловушек связано с разрывом напряженных или слабых связей электронным ударом при наличии высокого электрического поля. Согласно исследованиям авторов, объемный положительный заряд образуется на некотором расстоянии от инжектирующего электрода (катода) в результате ударной ионизации заполненных электронных ловушек (разрядка). Объемный отрицательный заряд расположен вблизи катода. В этой области электроны проводимости имеют низкую кинетическую энергию.

Авторы наблюдали в структурах поли-Si–SiO2–Si аномальный эффект положительного заряда. Точка поворота кривой накопления заряда достигается при Qinj 10–3– 10–2 Кл/см2. Положительный заряд формируется при низких Qinj, за ним следует формирование отрицательного заряда при более высоких Qinj.

Так как напряжение плоских зон не насыщается в зависимости от инжектированного заряда, два процесса ответственны за генерацию объемного отрицательного заряда: захват на существующие электронные ловушки и генерация новых электронных ловушек. При инжекции из подложки эти процессы могут быть описаны следующим уравнением, выведенным без учета положительного заряда и при допущении, что распределение отрицательного заряда не изменяется в течение инжекции

Здесь как уже существующие, так и вновь генерируемые ло-

вушки описываются общим (постоянным) центроидом xs , –

поперечное сечение захвата уже существующих ловушек плотностью Nt, R – скорость генерации новых ловушек.

При туннелировании электронов в зону проводимости SiO2 по механизму Фаулера-Нордгейма электрон сначала пе-

ресекает область с нулевой кинетической энергией. Далее он

23

ускоряется полем в окисле. На некотором расстоянии достигается ограничение скорости в результате столкновений и электрон продолжает движение через оставшуюся область окисла с постоянной кинетической энергией. Средняя кинетическая энергия электронов в тонких пленках SiO2 около 4–5 эВ для приложенного поля 10 МВ/см, что ниже порога ионизации зо- на–зона (9 эВ). Эта энергия, тем не менее, достаточна, чтобы разрядить электроны в дефектных состояниях ударной ионизацией. Поэтому авторы объясняют генерацию отрицательного и положительного заряда зарядкой и разрядкой электронов ловушечных центров.

В области окисла, где электроны проводимости имеют низкую кинетическую энергию, электроны захватываются на уже существующие и возможно вновь созданные дефекты и при этом образует чистый отрицательный заряд. Далее от катода, где электроны имеют высокую кинетическую энергию, имеет место ударная ионизация заполненных электронных ловушек, что создает положительный заряд. Так как кинетическая энергия электронов проводимости зависит от приложенного поля, генерация положительного заряда растет с ростом тока инжекции, что подтверждается экспериментально. Результатом этих двух процессов является образование объемного отрицательного заряда вблизи катода и положительного заряда на некотором расстоянии от катода.

Авторы допускают, что заполненные электронные ловушки как потенциальный источник генерации положительного заряда вводятся в процессе изготовления окисла. Их число конечно, поэтому плотность положительного заряда, в отличие от плотности отрицательного заряда, достигает насыщения.

При инжекции в области относительно низких приложенных полей, характерных для лавинной инжекции, электроны проводимости в окисле не достигают большой кинетической энергии. Они не способны генерировать объемный положительный заряд, но захватываются однородно в окисле. Это подтверждено экспериментально.

Формирование положительного заряда проявляется как уменьшение напряжения затвора при фиксированной плотности тока Фаулера-Нордгейма в МОП структурах с поликрем-

ниевым затвором для Ninj 8 1017 см–2. Это явление наблюдалось при всех температурах, использованных в работе /11/. К

структурам прикладывались постоянное напряжение или постоянный ток. Для больших Ninj происходит сдвиг напряжения затвора, характерный для электронного захвата; в области низких температур сдвиг уменьшается как как положительном, так и при отрицательном смещении МОП структур n- и p- типа. Образование положительного заряда практически не зависит от температуры.

Детали температурной зависимости сдвига затворного напряжения в режиме инжекции Фаулера-Нордгейма исследовалось на МОП структурах с алюминиевым затвором. Сдвиг напряжения затвора следует закону Аррениуса

где EA – энергия активации, равная 0,022–0,028 эВ, практически не зависит от температуры. Коэффициент приближенно равен D = 1,47 10-7 (Ninj)0,47 см–2.

1.2 Лавинная инжекция носителей заряда.

При этом виде инжекции горячие электроны инжектируются из плазмы лавинного пробоя обедненного слоя кремния. Напряжение пробоя ОПЗ кремния при реализации лавинного механизма умножения задается в следующем виде /12/

где значения ψsbr выражаются в вольтах, а значения ND в см–3.

Лавинный пробой неравновесной ОПЗ реализуется при значении напряжения на затворе VG

Эти соотношения вместе с условием электронейтральности позволяют рассчитать величину падения напряжения на диэлектрике и ОПЗ полупроводника и условия реализации лавинного пробоя ОПЗ. Кроме того, лавинный пробой должен быть однороден по площади МДП структуры. Это выполняется при условии наличия исходного инверсионного слоя на поверхности кремния, достаточно больших толщинах окисла,

Рис. 1.2. Зависимость напряжения плоских зон от времени, показывающая эффект аномального положительного заряда

высоких концентрациях легирующей примеси и отсутствии макронеоднородностей в легировании кремния. Падение напряжения на диэлектрике МДП структуры не должно быть достаточно большим, чтобы не вызывать деградацию межфазной границы Si–SiO2 и свойств окисла в результате протекания сквозного тока /23/.

В работе /13/ исследовались МОП структуры на подложках p-типа с толщиной окисла 800 Å и алюминиевым электродом. Показано, что лавинная инжекция горячих электронов

в окисел кремния при воздействии прямоугольных импульсов напряжения вызывает аномальный N-образный сдвиг напряжения плоских зон в зависимости от плотности инжектированного заряда и генерирует поверхностные состояния с широко распределенными постоянными времени.

N-образное поведение нельзя объяснить разрядкой, так как горячие электроны инжектируются при постоянном приложенном напряжении. Для объяснения N-образного поведения авторы предложили модель, которая допускает электронный захват в окисле кремния и генерацию поверхностных состояний донорного типа. Ориентация кремниевой подложки p- типа сильно влияет на плотность генерированных поверхностных состояний. Она в два раза выше для пластин с ориентацией (111), чем для (100). Поверхностные состояния рассматриваются как результат образования оборванных или напряженных связей вблизи границы раздела Si–SiO2. Энергетические уровни поверхностных состояний распределены вблизи середины запрещенной зоны SiO2. Доминирующее поперечное сечение захвата электронов примерно 10–18 см2 для образцов с ориентацией (100) и (111).

В работе /14/ исследована температурная зависимость электронного захвата в термически выращенном SiO2. Электроны инжектировались в термический SiO2 из лавинной плазмы в кремниевой подложке р-типа в диапазоне температур 30–300 К. Использовались импульсы прямоугольной формы. Найдено, что интенсивность электронного захвата растет монотонно при уменьшении температуры как в структурах с отжигом в среде H2/N2, так и без отжига.. Наблюдался степенной рост сдвига напряжения плоских зон от толщины окисла. Показатель степени примерно равен 1.5, что говорит о сложном распределении накопленного заряда на границе Si–SiO2 и в объеме окисла.

Большинство электронов (до 80 процентов), захваченных при 77К, освобождаются из ловушек, когда образцы нагреваются до комнатной температуры. Анализ экспериментальных результатов показывает, что нейтральные ловушеч-

ные центры, ответственные за электронный захват, характеризуются двумя дискретными уровнями энергии: 0,023 и 0,004 эВ ниже края зоны проводимости SiO2.

Экспериментальные результаты, полученные для МОП структур на подложке p-типа с толщиной окисла 1000 А показывают /15/, что при приложении прямоугольных импульсов структуры с алюминиевым и поликремниевым затвором ведут себя по разному. Так напряжение середины запрещенной зоны структуры с алюминиевым затвором в течение лавинной инжекции слабо зависит от величины максимума прикладываемого напряжения, тогда как для структур с поликремниевым затвором имеет сильную зависимость. Это различие показывает, что положительно заряженные центры в SiO2 генерируются при большем максимуме напряжения инжекции. Генерированные положительно заряженные центры могут образовываться вследствие разрыва связей горячими носителями, которые ускоряются очень большим полем в окисле. В структурах с алюминиевым затвором положительно заряженные центры, генерируемые при более высоких пиках напряжения лавинной инжекции, становятся нейтральными непосредственно после инжекции, так как атомы водорода освобождаемые на границе Al–SiO2, связываются с положительно заряженными центрами после миграции на короткое расстояние. Слой поли-Si является эффективным барьером для миграции водорода и задерживает отжиг положительного заряда водородом. Это может быть сток для водорода, который захватывает водород и предотвращает его освобождение горячими носителями.

Авторы предлагают модель водородных связей, которая позволяет успешно интерпретировать генерацию и кинетику отжига компенсированных объемных акцепторов и поверхностных состояний. В этой модели допускаются следующие процессы:

- освобождение атомарного водорода на границе Al– SiO2 или поли-Si–SiO2, в объеме окисла или на границе SiO2–Si при разрыве связей инжектированными электронами,

27

-миграция атомарного водорода через слой окисла (структура с алюминиевым затвором) или через слой поли-Si и SiO2 (структура с поликремниевым затвором),

-захват атомарного водорода на болтающихся связях оксидных ловушек в течение миграции атомарного водорода через окисел кремния.

При генерации электронных ловушек происходят следующие реакции

X – H + e** = X+ H+ e*

при меньшем пике напряжения лавинной инжекции. Для генерации положительного заряда при более высоком напряжении лавинной инжекции

е*** + е – h = e** + e* + h+; Y– H + h+ = Y+ + H .

Здесь е***, e**, e* – горячие электроны с уменьшающейся энергией, X – электронные ловушки с сечением генерации 10–17–10–18 см2 и Y+ – положительно заряженный центр в окисле, сгенерированный захватом термической дырки.

Вработе /16/ исследовалась деградация структур p-типа

салюминиевым затвором при приложении прямоугольных импульсов напряжения. Эксперимент показал, что интенсивность захвата растет пропорционально квадрату толщины окисла при 295 К. При 77 К наблюдалась более сложная зависимость, объясняемая расположением центроида захваченного

заряда примерно в 90 Å от границы раздела Si–SiO2, что подтверждается измерением фото-ВАХ и C-V-характеристик.

Вработе также наблюдался аномальный эффект положительного заряда. Этот заряд образуется на границе раздела

Si-SiO2, о чем говорят данные фото-ВАХ и С-V-измерений, и компенсирует отрицательный заряд, вызванный электронным захватом. Рисунок 1.2. показывает эффект аномального положительного заряда.

Результаты исследований показывают, что донорные состояния, ответственные за этот эффект, генерируются вбли-

28

зи границы раздела Si–SiO2 при прохождении тока через окисел и эти состояния могут заряжаться или разряжаться при приложении поля, в частности при повышенных температурах. Эти состояния не генерируются, если лавинная инжекция имеет место при 77 вместо 295 К. Аномальный эффект постепенно исчезает при повышении температуры измерения, начиная уже с 373 К.

Когда температура измерения равна 295 К, ловушки равномерно распределены в объеме SiO2. При измерении при 77 К доминирующие ловушки находятся вблизи границы Si– SiO2. Донорные состояния образуются вблизи границы раздела Si–SiO2 при прохождении тока.

В процессе лавинной инжекции электронов в окисел МОП структур с алюминиевым электродом на кремнии p-типа /17/ кроме электронного захвата в объеме окисла генерируются медленные и быстрые поверхностные состояния. Медленные состояния являются донорными и положительно заряжены, когда пусты.

При повышении температуры их зарядка тормозится. Они расположены в нижней части запрещенной зоны. Напряжение +5 В и выше сдвигает уровень Ферми выше середины запрещенной зоны и заполняет медленные состояния электронами. Напряжение от 0 до –10 В смещает кремний в режим аккумуляции и двигает уровень Ферми близко к валентной зоне, электроны эмиттируются из медленных состояний, давая положительный заряд. Вместе с положительным зарядом на быстрых поверхностных состояниях они компенсируют отрицательный объемный заряд и дают обратный эффект положительного заряда. Медленные состояния могут разряжаться при смещении +5 В или при более высоком смещении при 160 С или выше. Быстрые поверхностные состояния также отжигаются и отжиг увеличивается при положительном смещении. Принято, что медленные поверхностные состояния могут сообщаться с кремнием через быстрые состояния в термически активированном процессе. Сообщение с кремнием имеет большую постоянную времени. Для исследования объемного

29

электронного захвата использовалась лавинная инжекция при повышенных температурах. Из анализа формы спектра поверхностных состояний можно сделать вывод, что быстрые поверхностные состояния являются акцепторами выше середины запрещенной зоны и донорами ниже середины запрещенной зоны. После лавинной инжекции электроны захватываются в объеме окисла. Плотность генерируемых медленных состояний высока, но в зависимости от смещения только часть из них пусты и дают наблюдаемый положительный заряд. В конце генерируются быстрые поверхностные состояния, которые дают искажение C-V-кривой. Около точки напряжения плоских зон заряд быстрых поверхностных состояний положителен, что дает вклад в аномальный эффект.

Медленные состояния вызываются нейтральными частицами, генерированными электронным захватом, которые диффундируют к границе раздела Si–SiO2. Нейтральные частицы – это или водород или экситон.

В работе /18/ исследовались структуры на p-кремнии с алюминиевым затвором с приложением прямоугольных импульсов. Кинетика генерации трех доноров может включать: а) разрыв связей и освобождение таких связанных с молекулами воды частиц, как атомарный водород, на границе Al–SiO2 или в окисле, б) перенос частиц через окисел, в) модификацию пиковых поверхностных донорных состояний и донороподобных ловушек, являющихся причиной эффекта аномального положительного заряда, когда эти частицы достигают границы Si– SiO2, г) формирование объемных компенсирующих доноров, когда частицы проникают в слой поверхностного заряда кремния.

Сдвиг напряжения середины запрещенной зоны в зависимости от потока лавинной инжекции электронов описывается простой трех-ловушечной моделью. Первые ловушки представляют собой акцептороподобные ловушки с большим поперечным сечением (начальный рост напряжения середины запрещенной зоны). Вторые ловушки являются донороподобными ловушками аномального эффекта положительного заряда,

30

они образуют положительный заряд, который дает первый поворот графика напряжения середины запрещенной зоны. Третьи ловушки являются акцептороподобными ловушками с малым поперечным сечением, они образуют отрицательный заряд, который дает второй поворот напряжения середины запрещенной зоны. Основываясь на уравнении первого порядка, образование заряда NT идет по следующему закону

NT =N1exp(–ninj 1) – NTRexp(–ninj TR)+N2exp(–ninj 2) + C, (27)

где Nj (j=1,2) – плотность акцептороподобных ловушек; j – их поперечное сечение генерации; NTR – плотность донороподобных ловушек, обуславливающих эффект аномального положительного заряда; TR – поперечное сечение генерации; С – базовая константа.

Отмечено четыре экспериментально наблюдаемые корреляции между генерацией ловушек при аномального эффект положительного заряда и пиком донорных поверхностных состояний. Это подтверждает, что химическая причина у них одна и та же.

1)Соотношение между поперечными сечениями генерации примерно равно единице для всех исследованных МОП структур.

2)Величина напряжения середины запрещенной зоны при повороте характеристики (around effect) больше в МОП структурах с большей плотностью пиковых донорных поверхностных состояний.

3)Явление эффекта поворота характеристики не наблюдается при низких температурах (< 250 K). Генерация поверхностных состояний в течение лавинной инжекции электронов также очень мала при низких температурах.

4)Явление эффекта поворота характеристики не наблюдается при высоких температурах ( > 350 K). Образование поверхностных состояний также очень мало при высоких температурах.

Напряжение плоских зон медленно изменяется в отрицательную сторону при отрицательном смещении и медленно

31

изменяется в положительном направлении при положительном смещении. Эта нестабильность напряжения плоских зон связана с переносом заряда между донороподобными медленными состояниями и зоной проводимости и валентной зоной кремния в поверхностном слое пространственного заряда через быстрые поверхностные состояния. Донороподобные медленные состояния и донороподобные ловушки, вызывающие эффект поворота, по-видимому имеют в основе тот же самый физический комплекс.

1.3. Физико-химические модели активных дефектов в диэлектрике и на границе раздела Si-SiO2

Модель немостикового кислорода. В этой модели пиковые донорные поверхностные состояния представляют собой немостиковый кислород Si–O на границе раздела Si–SiO2. На первой стадии лавинно-инжектированные горячие электроны генерируют пиковые донорные поверхностные состояния разрывом многих существующих связей SiO–H на границе раздела Si–SiO2

32

ская реакция может включать разрыв напряженных связей вблизи границы Si–SiO2

Si–O–Si + e* Si–O+ Si+ eSi.

Лавинно инжектированные горячие электроны также освобождают атомарный водород в окисле или на границе Al– SiO2. Атомарный водород мигрирует через окисел и достигает границы раздела Si–SiO2.

На второй стадии атомарный водород реагирует с немостиковым кислородом и образует связь SiO–H, что уменьшает плотность пиковых поверхностных состояний

SiO+H SiO–H.

Эта модель согласуется с наблюдаемым уменьшением плотности поверхностных состояний после постметаллизационного отжига в форминг-газе и наблюдается кинетика отжига второго порядка пиковых донорных поверхностных состояний. Возможная реакция отжига следующая

2(SiO ) +H2 2(SiO ) +H+ H 2(SiO–H).

Модель водородно-дефектного комплекса. Реакция формирования следующая

X+ H X–H.

Здесь X– электрически неактивный локальный дефект. Электрически активные пиковые донорные поверхностные состояния – X–H. Эта модель учитывает малую начальную задержку в генерации пиковых донорных поверхностных состояний, так как здесь перенос атомарного водорода через окисел дает задержку по времени. Атомарный водород достигает границы раздела и проникает в слой поверхностного заряда кремния. Эта модель учитывает меньшую начальную задержку в генерации пиковых донорных поверхностных состояний, чем объемных компенсирующих доноров. На второй стадии лавинно инжектированные электроны разрывают водородные связи и

34

уменьшают пиковые донорные поверхностные состояния, которые являются связями X–H

X–H + e* X+ H+ eSi.

Модель водородно-дефектного комплекса также согласуется с наблюдаемой кинетикой отжига второго порядка пиковых донорных поверхностных состояний. Реакция представляет собой

2(X–H) 2X+ H+ H 2X+ H2.

Двухпримесная модель. В этой модели пиковые донорные поверхностные состояния (водородно-дефектный комплекс или связанная с водой примесь) формируется атомарным водородом (или связанной с водой примесью), реагирующим с поверхностным дефектом. На первой стадии возможная химическая реакция

X+ H X–H.

В дополнение к атомарному водороду лавинно инжектированные электроны также освобождают частицу другой примеси I, такой как ион гидроксила О–Н, водород или ион натрия в окисле или на границе Al–SiO2. На второй стадии частица примеси I достигает границы раздела Si–SiO2 и нейтрализует пиковые донорные поверхностные состояния X–H

X–H + I Z.

Здесь Z это XHI (или X + HI) и есть электрически неактивный центр. Двухпримесная модель согласуется с наблюдаемой кинетикой отжига второго порядка

2(X–H) 2X+ H+ H 2X+ H2.

Генерация поверхностных состояний связана с рекомбинацией захваченных дырок с электронами и разрывом связей водородом (H или H+) /24/.

Реакции здесь следующие

Si–H + h+ Si + H+ 35

или

Si–H + h+ Si+ + H.

Освобожденные атомы или ионы водорода движутся к границе раздела Si–SiO2 и вступают в реакцию

Можно считать, что Si+ центры ответственны за положительный заряд в окисле, а Si являются поверхностными состояниями на границе раздела Si–SiO2. Зонные диаграммы МОП структуры при отрицательном и положительном смещениях показаны на рисунке 1.3.

Поверхностные состояния могут образовываться и в результате прямого воздействия горячих электронов на связи на границе Si–SiO2. Это подтверждает тот факт, что при инжекции Фаулера-Нордгейма воздействие отрицательного постоянного смещения или отрицательных импульсов на МОП структуру дает большую концентрацию поверхностных состояний на границе Si–SiO2, чем, когда на затвор прикладывается положительное напряжение или положительные импульсы /24/.

Генерация поверхностных состояний согласуется с наличием напряженных или химически ненасыщенных связей на границе Si–SiO2. Типичные образцы распределения поверхностных состояний содержат основу в виде U-формы, имеющей специфические особенности, наложенные на нее /26/. Генерация поверхностных состояний требует потока носителей заряда через окисел или генерацию электронно-дырочных пар при радиации. При туннельной инжекции Фаулера-Нордгейма эти состояния получаются при обеих полярностях напряжения затвора. Тем не менее, при положительном напряжении меньше инжектированных носителей требуется для образования поверхностных состояний, чем при отрицательном напряжении, т.е. энергетические электроны могут создать поверхностные состояния.

36

В работе /19/ исследовались структуры на p-кремнии с толщиной окисла 384-2440 Å и алюминиевыми электродами с помощью метода высокочастотной импульсной лавины при поддержании постоянного тока. Наблюдался захват электронов в окисле и эффект аномального положительного заряда. Как в сухих окислах, так и в окислах с диффузией воды, сечение захвата доминирующего центра меньше ожидаемого для простого электрически нейтрального дефекта. В случае простого нейтрального дефекта радиус захвата rc=( c / )1/ 2 должен быть атомным радиусом (rc > 0,5 Å). На самом деле, в сухих окислах rc 0,05 Å, а в окислах с диффузией воды rc 0,2

Å.

Наиболее простым допущением является предположение об обволакивании молекулами воды существующих нейтральных дефектов при диффузии. Осколки диффундирующих молекул воды могут связываться с образованием структурных дефектов в каркасе SiO2. Например, радикалы Si с тремя связями или радикалы перекиси были обнаружены в массивных стеклах методом электронного парамагнитного резонанса. В рамках ионных представлений два упомянутых дефекта относятся, соответственно, к вакансиям кислорода и кислородным междоузельным атомам.

Разумно характеризовать свойства очень сухих и, предположительно, очень чистых окислов с помощью подобных собственных дефектов. Обволакивание подобных дефектов фрагментами молекул воды создает комплексы Si–H- и Si–OH- лигандов.

Другая модель влияния диффузии воды, согласующаяся с результатами по захвату, представляет собой простую ассоциацию (т.е. сближение) лигандных комплексов, связанных с водой (включая Si–H- связи или Si–OH- связи), или растворенной молекулярной Н2О с некоторым ловушечным центром в сухом окисле, включающим собственный структурный дефект или дефект, связанный с примесью. Диффузия воды резко повышает концентрацию Si–OH и эта концентрация впоследст-

37

вии может быть уменьшена за счет послеметаллизационного отжига.

Сухие окисные пленки обладают сильной аномалией, выражающейся в присутствии положительного заряда, причем она отличается от той, которая имеет место в окислах с диффузией воды в первую очередь общей эффективностью процесса. Поэтому не представляется обязательным допущение, что для генерации граничного заряда необходима модификация границы примесями, связанными с наличиями воды.

Наиболее важной проблемой является природа групп, диффундирующих из объема окисла к границе Si–SiO2. Показано, что диффундирующие группы нейтральны. Два варианта возможных диффундирующих групп – осколки молекул воды: по всей вероятности нейтральный атом водорода или экситон – согласуются с настоящими результатами.

Если атомарный водород диффундирует к границе раздела в процессе образования положительного заряда, центр захвата электронов в сухих окислах должен включать в себя водородные примеси. Имеется экспериментальное доказательство того, что в сухих окисных пленках присутствуют измеряемые концентрации групп, связанных с водой, даже в том случае, когда эти пленки изготавливались в окислительных средах, содержащих Н2О в количестве 1 часть/миллион.

Образование отрицательного заряда в сухих окислах связывается, по всей вероятности, с собственным или Н/ОН – компенсированным структурным дефектом, образовавшимся в аморфной конфигурации SiO2 при высоких температурах. Этот дефект может обволакиваться осколками молекул воды, входящих в окисный слой при низких температурах. Последний процесс повышает сечение захвата нейтральной ловушки на порядок и усиливает эффективность отрицательно заряженного центра с захваченным электроном при генерации подвижного водородного атома или экситона за счет взаимодействия с подвижными электронами. Перенос получающихся подвижных групп к границе раздела Si–SiO2 приводит к формированию положительного заряда.

38

Показано /20/, что генерация поверхностного положительного заряда в течение лавинной инжекции сильно подавляется при использовании магния вместо алюминия в качестве затворного металла и усиливается при использовании золота. Это коррелирует с работами выхода металлов и согласуется с моделью, где дырки генерируются в аноде горячими электронами и далее туннелируют обратно в окисел и захватываются на границе Si–SiO2.

МОП структуры с алюминиевым затвором толщиной окисла 1050 Å создавались в ультрасухих условиях и подвергались низкотемпературной диффузии воды /21/. На структуры подавались высокочастотные импульсы напряжения. При лавинной инжекции электронов наблюдалась сложное зарядовое поведение, включающее электронный захват и генерацию поверхностного положительного заряда. Метод вторичной ионной масс-спектроскопии показал, что при протекании тока через МОП структуру наблюдается перераспределение водорода

вокисле. Поверхностная плотность водорода, локализованного

на границе раздела Si–SiO2, растет линейно с ростом протекшего заряда. Пик распределения водорода расположен внутри

участка 60 Å от границы раздела Si–SiO2. Источник водорода не определен. Водород может управлять генерацией заряда, захваченного на границе раздела. Нет четкой корреляции между плотностью водорода и числом событий захвата в объеме окисла и плотностью сгенерированных ловушек на границе раздела.

МОП структуры с алюминиевым электродом на кремнии n-типа подвергались воздействию импульсов отрицательного напряжения /22/. Исследовался захват дырок на ловушки

вокисле при их туннельной инжекции из подложки. Захваченный положительный заряд и поверхностные состояния, возникающие из-за инжекции дырок, подобны тем, которые возникают при воздействии радиации.

Таблица 1

Сводные данные по инжекции носителей в окисел