Dynamic model of trapping-detrapping in SiO2

Abstract

The field and time dependence of charge carriers trapping under different charge injection conditions, is studied in this work, using the dc hot electron injection technique. It is shown that the trapping characteristics converge to field-dependent quasisaturation values. Variation of the trapping levels, due to change of the oxide field magnitude, are obtained in both directions and exhibit complete reversibility. These results, which cannot be explained by the first-order conventional trapping model, are consistent with a dynamic trapping-detrapping model. According to this model, quasisaturation of trapping characteristics is obtained when the trapping and detrapping processes are balanced. The occupation of the traps under steady-state conditions is therefore field dependent. The same model also describes the generation of positive charge under high-field injection conditions. This phenomenon is shown to be related to ionization of localized states in the SiO2 forbidden gap. The implications of the dynamic model suggest the need for a reevaluation of the present characterization methods for trapping in oxide layers.

Trapping of negative and positive charges in Ge+ ion implanted silicon dioxide layers subjected to high-field electron injection

“…If the electron energy exceeds 5 eV, the trap-to-band impact ionization (TTBI) mechanism can take place. 19,20 In this mechanism, the positive oxide charge is generated by the impact of hot free electrons from the conduction band on filled traps. For typical MOS structures in which the main defects are located near the SiO 2 /Si interface, in the case of the TTBI mechanism the electron injection from the metal electrode into the oxide layer has to generate a considerably higher positive charge concentration than that generated by electron injection from the silicon substrate, 20 i.e., Q pos (Ϫ) /Q pos (ϩ) ӷ1.…”

Модель накопления зарядов в n- и p-МОП-транзисторах при туннельной инжекции электронов из затвора

“…1), обусловленного появлением сначала положи-тельного, а затем отрицательного зарядов вблизи МФГ Si−SiO 2 . Появление положительного объемного заряда вблизи анода при туннельной инжекции электронов на-блюдалось неоднократно и связывалось с ударной иони-зацией зона-зона или(и) ловушка-зона [6][7][8][9][10][11][12]. В рамках настоящей модели образование нескомпенсированного положительного заряда описано посредством захвата дырок по реакции (6) на безводородные дырочные ло-вушки, присутствующие исходно в подзатворном оксиде кремния наряду с водородосодержащими ловушками.…”

“…По поводу происхождения положи-тельного заряда при туннельной инжекции электронов предложен ряд моделей [6][7][8][9][10][11][12]. В этих моделях обра-зование положительного объемного заряда связывалось с низкоподвижными дырками, образующимися вместе с высокоподвижными электронами в результате межзон-ной ударной ионизации [6], ударной ионизацией мелких ловушек SiO 2 [7][8][9][10], захватом дырок, образующимися при межзонной ударной ионизации в составе элект-ронно-дырочных пар, на дырочные ловушки [10][11][12]. Дырочные ловушки связываются с наличием вблизи МФГ Si−SiO 2 кислородных вакансий (E ′ -центров), а также их комплексов с водородом [13].…”

Simulation of the developed electro-thermal aging model based on trapping and detrapping process

“…The trapping coefficient K T is proportional with the injected current density (J) as shown in [8], [9] as…”