ных работах, имеют принципиальные отличия, что может быть также связано с отличиями экспериментальных образцов и технологий их получения. В ряде работ образующийся при протекании инжекционных токов положительный заряд идентифицировался как аномальный положительный заряд. Он локализован у границы раздела Si-Si02. Этот заряд не уничтожается электронами, захватываемыми в оксиде, и может разряжаться или заряжаться почти реверсивно с большой постоянной времени, при приложении положительного или отрицательного смещения, соответственно. Поэтому данному аномальному компоненту положительного заряда часто дается название - медленные состояния.

Существует несколько теоретических моделей, объясняющих образование положительного заряда. Достаточно широко используется модель, основанная на явлении межзонной ударной ионизации. Предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны, попадая в зону проводимости, по мере своего движения могут достичь энергии, равной или бульшей энергии запрещенной зоны двуокиси кремния, после чего они способны вызвать межзонную ударную ионизацию, в результате которой образуется электронно-дырочная пара с низкоэнергетическим электроном. Образовавшиеся таким образом дырки под действием приложенного электрического поля движутся к катоду и образуют в прикатодной области положительный заряд. Однако образование положительного заряда в тонких диэлектрических пленках, в электрических полях <6 МВ/см и недостаточных для возникновения межзонной ударной ионизации, потребовало привлечения других теоретических моделей, объясняющих генерацию положительного заряда.

В работах М.Фишетти была предложена модель, в которой предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны вызывают возбуждение электронно-дырочной подсистемы SiOj, в результате чего в ней могут происходить структурные изменения, приводящие к появлению положительного заряда. Для объяснения генерации положительного заряда наряду с механизмом межзонной ударной ионизации привлекался механизм ловушечно-зонной ударной ионизации, требующий для своей реализации наличия электронов с энергией, большей или равной глубине ловушки.

Накопление положительного заряда связывают также с инжекцией в диэлектрик МДП-систем дырок и последующим их захватом на ловушки в SiOj. Причем инжекция дырок может происходить за счет возбуждения дырочной подсистемы под действием облучения светом и снижения высоты потенциального барьера для туннелирования дырок из кон-

тактов. Появление дырок в двуокиси кремния в сильных электрических полях связывается также с их генерацией в результате взаимодействия инжектированных электронов с анодной границей раздела.

Важную роль как в процессе роста термической двуокиси кремния, так и в процессе зарядовой деградации МДП-систем в условиях сильнополевой туннельной инжекции играет водород. В процессе формирования оксида водород устраняет дефектные состояния в объеме SiOj и на границах раздела, насыщая оборванные связи кремния или кислорода. Инжектированные и разогретые в двуокиси кремния электроны могут вызывать перераспределение водорода, вследствие выбивания его со связей и миграции к границе диэлектрик-полупроводник. При этом могут образовываться дефекты в объеме Si02 и на границе Si-Si02. Г.Гэдияном предложена теоретическая модель для описания поведения водорода при инжекции электронов из контактов в тонких пленках Si02 в сильных полях, учитывающая создание ловушек за счет выбивания горячими электронами водорода с оборванных связей SiO и Si и захват на них электронов и дырок. Показано, что при напряженности электрического поля 4 МВ/см интенсивный рост плотности захваченного заряда в диэлектрике наблюдался при инжекции заряда > 5- 10 Кл/см.

В последнее время в результате экспериментальных и теоретических исследований деградационных явлений в двуокиси кремния [40, 41] получены новые данные о распределении горячих электронов в Si02 по энергии, которые позволили уточнить описание сильнополевого переноса и ударной ионизации в двуокиси кремния. На рис. 2.10 показано распределение электронов, инжектированных в двуокись кремния, по энергии. Как видно из рисунка, в распределениях наблюдаются высокоэнергетические хвосты, способные вызвать межзонную ударную ионизацию в двуокиси кремния. На основе этих данных в [40] предложена теория сильнополевого переноса электронов и ударной ионизации в двуокиси кремния. Согласно этой теории, за сильнополевую деградацию пленок SiOj ответственны два основных механизма. Первый механизм заключается в создании в оксиде ловушек и появляется, когда электрон с энергией больше чем 2 эВ (относительно дна зоны проводимости оксида) освобождает водород из состояний дефектов около анодной границы раздела [41]. Затем этот водород может перемещаться к границе катод-оксид и генерировать поверхностные состояния. Данный механизм становится заметным после инжекции заряда > 10 Кл/см.

Второй механизм заключается в том, что при туннельной инжекции электронов по Фаулеру-Нордгейму в полях больше 6,5 МВ/см при тол-

щине оксида больше 30 нм на энергетическом распределении горячих электронов появляются высокоэнергетические хвосты, способные генерировать дырки межзонной ударной ионизацией [40]. Под действием электрического поля эти дырки движутся к катоду, приводя к образованию объемного положительного заряда и генерации поверхностных состояний. Заполненные центры захвата дырок в свою очередь могут захватывать инжектированные электроны.

Одновременно с накоплением в пленке Si02 положительного заряда начинает возрастать плотность поверхностных состояний. Многочисленные исследования данного явления показали, что увеличение плотности поверхностных состояний и генерация положительного заряда тесно взаимосвязаны. В работах М.Фишетти также предполагается, что ответственным за оба процесса зарядовой дсфадации являются одни и те же структурные нарушения в пленке двуокиси кремния у границы Si-Si02, что происходит, в основном, под влиянием электронных процессов, которые стимулируются действием электрического поля, вызьтаюшего инжекцию заряда в диэлектрик.

Заключительной стадией зарядовой дефадации МДП-систем при высокополевой инжекции заряда является пробой подзатворного диэлектрика. В результате многочисленных исследований было установлено, что оп-ределяюшей причиной, приводящей к пробою диэлектрической пленки, является накопление в Si02 положительного заряда. На базе данного

факта развиты несколько теоретических моделей, позволяющих детально описать пробой Si02. Так, в модели, предложенной К.Ченом и К. By, оксид делится на два типа площадей. Первый тип - слабая площадь, где в конце концов и происходит пробой, и вторая площадь - крепкая , которая согласно предлагаемой модели составляет основную часть оксида. В то время как генерация ловушек и захват электронов происходит в обоих типах площади, захват положительного заряда наблюдается только в слабых площадях. Положительный заряд образуется в результате генерации дырок межзонной ударной ионизацией

п, отн. ед.

Энергия, ЭВ

Рш. 2.10. Распределение электронов по энергии в диэлектрической пленке толщиной 50 нм для различных напряжен-ностей электрических полей, МВ/см: 1 - П; 2 - 9; 3 ~ 1; 4 - 5

и их дрейфа к катоду. Этот захваченный положительный заряд вызывает локальное увеличение электрического поля, которое увеличивает плотность инжектируемого заряда, что создает дополнительный положительный заряд. В результате возникает положительная обратная связь, которая и приводит к пробою. Более общая теоретическая модель, предложенная К.Ченом и К.By, отличалась тем, что, помимо межзонной ударной ионизации, учитывала процесс ловушечно-зонной ударной ионизации при генерации дырок, а также предполагала, что образующийся положительный заряд состоит не только из дырок, но и из подвижных положительных ионов.

Е.Авни и Д.Шаппиром предложена другая модель пробоя, предполагающая, что при достижении пороговой плотности генерированных нейтральных ловушек у анода происходит усталостный электрический пробой через новые каналы проводимости. Модели пробоя термических пленок Si02 на кремнии в настоящее время находятся в стадии экспериментальной проверки, постоянно корректируются и дополняются.

Захват электронов на ловушки в двуокиси кремния слабо зависит от напряженности электрического поля и определяется зарядом, инжектированным в диэлектрик. В течение всего процесса инжекции в термических пленках Si02 наблюдается захват электронов на ловушки. При инжекции в диэлектрик заряда до 10 Кл/см в основном превалирует захват на существующие в оксиде ловущки. При продолжении процесса инжекции больше 10 Кл/см электронный захват начинает определяться вновь образующимися ловушками.

Генерация электронных ловушек, наряду с генерацией положительного заряда, является ключевым фактором, определяющим дефадацию и пробой оксида. Физика образования электронных ловушек еще до конца не выяснена. Главной трудностью при изучении процесса образования электронных ловушек является неспособность большинства применяемых методов исследования отдельно контролировать инжекцию электронов и дырок в оксид.

Можно выделить три основные модели образования электронных ловушек [36]: модель генерации дырок из анода, электрохимическую модель и модель высвобождения водорода.

Согласно первой модели электроны, инжектированные в оксид сильным электрическим полем или с помощью фотоинжекции, ускоряются полем в оксиде и взаимодействуют с анодом. При этом взаимодействии вьщеляется энергия, достаточная для генерации дырок из анода. Дырки, двигаясь в оксиде к катоду, вызывают появление нейтральных элек-

тронных ловушек, на это указывает взаимосвязь потока дырок и генерации электронных ловушек.

В электрохимической модели само электрическое поле непосредственно вызывает появление электронных ловушек, и процессы, обусловленные вьщелением энергии на аноде, не связаны с генерацией ловушек Механизм образования электронных ловушек в данной модели основан на взаимодействии диполей в оксиде с электрическим полем.

Модель высвобождения водорода, которая уже частично рассматривалась выше, основана на том, что инжектированные посредством туннелирования в оксид электроны достигают анода с энергией, достаточной для высвобождения водорода у анодной границы. Диффундируя сквозь оксид, освободившийся водород создает электронные ловушки. Преимущество этой модели в том, что электронные ловушки, аналогичные образующимся при стрессовом туннельном токе, появляются и при обработке структур водородной плазмой. Вместе с тем и эта модель не может объяснить некоторые экспериментальные результаты.

Для МДП-систем с двухслойным диэлектриком Si02-OCC (фосфор-но-силикатное стекло) зарядовая деградация при инжекционных нагрузках имеет ряд принципиальных отличий. При сильнополевой инжекции заряда в полях 7...8 МВ/см наблюдается накопление отрицательного заряда, которое связывается с захватом инжектированных электронов на границе Si02-OCC или в самой пленке ФСС. Известно, что как при пассивации двуокиси кремния ФСС, так и при ионной имплантации создаются электронные ловушки, но природа их до конца не определена. В одних работах предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны захватываются положительно заряженными группами, образуемыми атомами фосфора при вплавлении Р2О5 в тетраэдрическую решетку двуокиси кремния. Число положительно заряженных групп может составлять около 1 % от числа атомов кремния в SiOj- В других работах отмечается, что воздействие полярных молекул PCI3 и POCI3 в процессе получения пленки ФСС на решетку Si02 может привести к разрыву химических связей между тетраэдрами и, как следствие, появлению электронных ловушек, локализованных на границе раздела Si02-ФСС. Появление электронных ловушек в слоях двуокиси кремния, в которые фосфор вводился ионной имплантацией, связывалось также с образованием связей P-Si.

При увеличении электрических полей > 9 МВ/см в двухслойном диэлектрике Si02-ФСС происходит смена механизма образования отрицательного заряда на генерацию положительного. Данное явление не на-

шло однозначного объяснения. В одних работах оно объяснялось усиливающейся ролью ударной ионизации дырок в Si02 при увеличении поля в других - взаимодействием горячих электронов с энергетическими >ровнями дефектов в запрещенной зоне Si02, образованием положительно заряженных E-центров, перемещающихся в направлении границы раздела Si-Si02

В МДП-системах с большей толщиной ФСС наблюдается при одном и том же заряде, инжектированном в диэлектрик, меньшее возрастание плотности поверхностных состояний на границе Si-Si02. Этот эффект связывался с влиянием пассивации двуокиси кремния на межфазовую границу раздела Si-SiOj. Однако механизм такого влияния предложен не бьш.

В [42] приведены результаты исследования влияния толщины пленки ФСС на накопление отрицательного заряда для толщины 1...16 нм. Показано, что с ростом толщины происходит увеличение плотности отрицательного заряда, накопленного при туннельной инжекции. Однако зависимости процессов зарядовой нестабильности системы 81-8102-ФСС от толщины слоя ФСС еще до конца не исследованы.

Накопление отрицательного заряда в МДП-структурах с двухслойным диэлектриком 8102-ФСС вносит существенные коррективы в модели пробоя, развитые для термических пленок SiOj. Во-первых, необходимо учитывать перераспределение электрических полей внутри диэлектрика. Во-вторых, наличие пленки ФСС может существенно изменить кинетику накопления положительного заряда в пленке Si02.

Таким образом, неоднозначность приводимых в литературе экспериментальных данных, характеризующих зарядовую деградацию МДП-систем на основе двуокиси кремния при инжекционных нагрузках, затрудняет их анализ и создание общей теоретической модели, описывающей эти процессы. Исследования в данной области находятся лишь в стадии накопления экспериментальных данных и разработки модельных представлений. Несмотря на обилие работ, посвященных экспериментальным исследованиям зарядовой нестабильности и определению механизмов накопления зарядов в системе Si-SiOj, и на широкое использование данных систем в микроэлектронике в качестве подзатворных диэлектриков, до настоящего времени отсутствует физико-математическая модель зарядового состояния системы Si-SiOj, учитывающая в полной мере основные механизмы захвата носителей в двуокиси кремния, положения центроидов зарядов, напряженности локальных электрических полей, миграцию атомов и ионов водорода и т.д.