Существующие модели процессов накопления радиационно-индуцированных поверхностных состояний

Воздействие ионизирующего излучения (ИИ) приводит к образованию электронно-дырочных пар в оксиде МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторов. В оксиде накапливается объемный положительный заряд Qot, поскольку в результате частичной рекомбинации электроны покидают оксид, а дырки могут захватываться на глубокие ловушки. ИИ космического пространства вызывает образование радиационно-индуцированных поверхностных состояний (ПС) Nit. В отличие от механизма встраивания объемного положительного заряда физические процессы образования ПС до сих пор остаются до конца не изученными. На сегодняшний день нет полного понимания механизма накопления ПС при радиационном облучении. Более изученными являются модели, в которых накопление ПС рассматривается как процесс, состоящий из двух стадий и протекающий с участием, высвобождаемых в диоксиде кремния, ионов водорода. Во время первой стадии при воздействии ИИ генерированные в диоксиде кремния дырки могут переноситься как по направлению к границе раздела кремний/диоксид кремния, так и по направлению к границе затвор/диоксид кремния. Во время этого процесса они способны разрывать напряженные связи Si—O и слабые связи комплексов «трехвалентного кремния» с водородом, в результате чего высвобождаются ионы водорода. На второй стадии высвобожденные ионы водорода образуют ПС из-за разрыва связей Si—H и Si—OH во время дрейфа по направлению к границе раздела диоксид кремния/кремний. Исходя из этой модели, только при подаче на затвор МОП−структуры положительного смещения будет наблюдаться накопление ПС.
На сегодняшний день достаточно информации существует по трем моделям накопления радиационно-индуцированных ПС: водородной, конверсионной и связанной с разрывом напряженных связей. Исторически одной из начальных гипотез образования ПС была возможность разрыва напряженных связей у поверхности полупроводника. Так и есть, из-за разности в коэффициентах линейного расширения кремния и оксида на поверхности кремния всегда содержатся напряженные связи, разрывающиеся в первую очередь при воздействии частиц ионизирующего излучения. В результате эксперимента, заключающегося в облучении оксида толщиной 100 нм гамма квантами (1.2 МэВ) и ультрафиолетовым излучением с энергией 10.2 эВ было выявлено, что гипотеза о разрыве напряженных связей вряд ли достоверна. В эксперименте доза гамма и ультрафиолетового излучения подбиралась, таким образом, чтобы количество электронно-дырочных пар, образующихся в объеме окисла, было одинаковым. Отличием являлся тот факт, что гамма излучение вызывало однородную ионизацию оксида, а ультрафиолетовое излучение поглощалось в слое толщиной порядка 10 нм. Таким образом, только в случае воздействия гамма излучения поверхность раздела оксид–полупроводник подвергалась воздействию квантов. В итоге оказалось, что в обоих случаях накапливалось одинаковое количество радиационно-индуцированных ПС. Результат свидетельствует о том, что при воздействии ИИ важно общее количество электронно-дырочных пар, образующихся в окисле для образования ПС.
В случае водородной модели придерживаются предположения о том, что за счёт радиолиза водородосодержащих соединений (например, OH-групп) или в результате выделения энергии при процессах рекомбинации электрон-дырка, в оксиде высвобождаются ионы водорода, депассивирующие поверхностные связи в процессе миграции к границе раздела кремний/диоксид кремния, что приводит к встраиванию ПС.
Конверсионная модель основана на том, что рост плотности ПС происходит в результате нейтрализации положительного заряда. В ходе эксперимента, проводившегося в 80-е годы в течение облучения наблюдалось небольшое увеличение плотности ПС ΔNit и ощутимое увеличение объемного заряда в оксиде ΔQot. Но во время процесса отжига объемный заряд в оксиде почти полностью отжигался, а плотность ПС значительно возрастала. Эти данные позволили говорить о конверсионной модели встраивания ПС, вызванных радиационным излучением. На самом деле, в случае захвата электрона конфигурация положительно заряженного центра может преобразоваться в нейтральное состояние, эквивалентное поверхностной ловушке. Конверсионная модель не получила столько внимания, сколько водородная, но различные экспериментальные данные позволяют судить о достоверности этой концепции.
В результате экспериментального исследования кинетики послерадиационного образования ПС в МОП-структуре в среде молекулярного водорода в различных полевых режимах, группой учёных из МИФИ было выявлено, что взаимодействие водородосодержащих комплексов с электронами подложки играет не малую роль в процессе накопления ПС. Полученные данные позволяют рассматривать водородную и конверсионную модели с точки зрения единой водородно-электронной модели встраивания ПС. В случае данного подхода для образования ПС необходимо не только наличие у границы оксид–кремний положительно заряженных водородосодержащих комплексов, но и взаимодействие этих комплексов с электронами из подложки.
Исходя из различных экспериментальных исследований возможно сделать вывод о том, что введение водорода в МОП-структуру приводит к ощутимому росту скорости образования ПС во время облучения и после.
Результаты ученых соответствуют предположению о том, что если количество водородных соединений у границы кремний-оксид кремния мало, то можно ожидать, что темп и энергия активации генерации ПС в целом определяются переносом соединений водорода в окисле. Напротив, при наличии соединений водорода у границы раздела кинетика, энергия активации и полевая зависимость процесса связаны с электронным обменом с подложкой.
Поскольку актуален вопрос изучения процессов накопления ПС в результате ионизирующего излучения, в ближайшем будущем существующие модели, вероятно, будут совершенствоваться и, возможно, предлагаться новые.