Автореферат (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов)

На правах рукописиАндреев Дмитрий ВладимировичЗАРЯДОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХМДП-СТРУКТУР И ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИПРИ СИЛЬНОПОЛЕВОЙ ИНЖЕКЦИИ ЭЛЕКТРОНОВСпециальность 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский государственный технический университетимени Н.Э.

Баумана»Научный руководитель:доктор технических наук, профессорСтоляров Александр АлексеевичОфициальные оппоненты:Шерченков Алексей Анатольевич,доктор технических наук, профессор,ФГАОУ ВО «Национальный исследовательскийуниверситет «Московский институт электроннойтехники», профессор кафедры«Материалы функциональной электроники»Литвинов Владимир Георгиевич,кандидат физико-математических наук, доцент,ФГБОУ ВО «Рязанский государственныйрадиотехнический университет», доценткафедры «Микро- и наноэлектроника»Ведущая организация:Лаборатория Космического материаловеденияИК РАН ‒ филиал Федеральногогосударственного учреждения «Федеральныйнаучно-исследовательский центр«Кристаллография и фотоника»Российской академии наук»2016 г.

в 14 часов 30 минут на заседанииЗащита состоится « 15 » июнядиссертационного совета Д 212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВПО«МосковскийгосударственныйтехническийуниверситетимениН.Э. Баумана» по адресу: 248000, Калуга, ул. Баженова, д. 2.МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.

Н.Э. Баумана ина сайтах http://www.bmstu.ru, http://bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан «___» ________ 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук, доцентЛоскутов С.А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Легирование пленки подзатворногодиэлектрика на основе термического SiO2 фосфором может применяться длястабилизации характеристик приборов. Плёнка фосфорно-силикатного стекла(ФСС) может возникать также при использовании затворов из поликристаллического кремния, легированных фосфором. Наличие плёнки ФСС существенно влияет на характер изменения зарядового состояния структур металлдиэлектрик-полупроводник (МДП) как при сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик, так и при радиационном облучении. В последнее время подзатворный диэлектрик на основе пленки SiO2, пассивированной тонкой пленкой ФСС, широко используется в полевых приборах на основе карбида кремния.

Основной проблемой при создании диэлектрических пленок для полупроводниковых приборов на основе МДП-структур, позволяющих управлять параметрами приборов путем инжекционной и радиационной модификации после их изготовления, является создание требуемой оптимальной структуры диэлектрической пленки, обеспечивающей эффективный захват носителей заряда на ловушки и обладающей высокой инжекционной и радиационной стойкостью и низкой зарядовой дефектностью. Всё это обуславливает необходимость комплексного и всестороннего исследования процесса легированияплёнки SiO2 фосфором и самой структуры SiO2-ФСС с целью оптимизации параметров диэлектрической пленки, необходимой для повышения стабильности и надежности МДП-приборов.

В современной микро- и наноэлектроникепри изготовлении МДП-структур наряду с пленками SiO2 широко использоваться диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемые high-k диэлектрики: Al2O3 (    ), HfO2 (   25 ) и др.). При этом high-kдиэлектрики часто применяются совместно с пленками SiO2.В ячейке традиционной NAND флэш-памяти межзатворный диэлектрик(InterPoly Dielectric ‒ IPD) и управляющий затвор «обёрнуты» вокруг плавающего затвора c целью обеспечения коэффициента связи свыше 60 %. Однако,такое «обёртывание» требует достаточного пространства между плавающимизатворами соседних ячеек флэш-памяти для того, чтобы уместить толщинууправляющего затвора и двойную толщину IPD в один питч (величина, равнаяполовине от расстояния между соседними ячейками флэш-памяти).

Когда размеры ячейки приближаются к столь малым, что управляющий затвор не можетбыть более «обёрнут» вокруг плавающего затвора вследствие слишком малогозначения питча, то происходит некоторое уменьшение коэффициента связи,что приводит к ухудшению характеристик программирования и стеканию части заряда через межзатворный диэлектрик. Для того, чтобы перейти к меньшим размерам флэш-памяти (с проектными нормами 20 нм и ниже), при формировании планарной структуры плавающего затвора необходимо использовать стек high-k диэлектриков в качестве межзатворного изолятора. Такаяструктура памяти может быть реализована за счёт использования гибридногоплавающего затвора со структурой поликремний/метал (poly-Si/metal), что1позволяет уменьшить его толщину, снизить влияние соседних ячеек флэш-памяти друг на друга, увеличить ширину окна программирования.

Однако, привсех вышеуказанных преимуществах, высокая плотность электронных ловушек в high-k межзатворном диэлектрике остаётся важной проблемой в функционировании флэш-памяти, т.к. процессы их заряжения/разряжения могутявляться причиной нестабильности ширины окна программирования/стиранияинформации, приводить к сокращению времени хранения информации. Такимобразом, исследование природы электронных ловушек в high-k межзатворномдиэлектрике, изучение процессов накопления на них отрицательного зарядапри сильнополевой инжекции электронов и последующее его хранение является важной научной и практической задачей.Цель работы: установление физических закономерностей зарядовых явлений при инжекции электронов в сильных электрических полях, включаянакопление заряда и последующее его хранение в диэлектрических пленкахМДП-структур и элементов энергонезависимой памяти.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать метод контроля электрофизических характеристик тонкихдиэлектрических пленок МДП-структур, позволяющий контролировать параметры накапливаемого в подзатворном диэлектрике заряда в режиме сильнополевой инжекции электронов; провести исследование возможности модификации МДП-структур cпленкой SiO2-ФСС путём сильнополевой туннельной инжекции электронов вподзатворный диэлектрик и облучения электронами; исследовать влияние режимов легирования пленки SiO2 фосфором нахарактеристики МДП-структур; выполнить исследование возможности использования МДП-структурна основе диэлектрических пленок на основе оксида и алюмината гафния дляэлементов флэш-памяти; исследовать энергетическое распределение электронов в запрещеннойзоне межзатворных диэлектриков на основе оксида гафния и алюмината гафния в элементах энергонезависимой памяти с гибридным плавающим затвором.Научная новизна1.

Разработаны теоретические основы метода исследования и модификации тонких диэлектрических пленок МДП-структур в условиях инжекцииэлектронов в сильных электрических полях с использованием стрессовых иизмерительных уровней тока, учитывающего процессы заряда емкости структуры и захвата заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур в инжекционном режиме.2.

Впервые показано, что применение подзатворного диэлектрика на основе пленки SiO2, легированной фосфором с образованием двухслойногостека SiO2-ФСС с концентрацией фосфора в пленке ФСС 0,4‒0,9 % позволяетзалечивать «слабые места» в подзатворном диэлектрике за счет накопления в2ФСС при сильнополевой инжекции отрицательного заряда, приводящего кувеличению потенциального барьера в месте дефекта и, как следствие, куменьшению локальных токов.3. Установлено, что отрицательный заряд, накапливающийся в плёнкеФСС в структурах с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС какв процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов, так и при электронном облучении, может использоваться для модификации МДП-приборов,при этом использование сильнополевой инжекции электронов позволяет получить большие плотности отрицательного заряда при меньших деградационных процессах.4.

Впервые с использованием метода всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошением получены энергетические распределения электронов, захватываемых в МДП-структурах на основе диэлектрических пленокSiO2-Hf0.8Al0.2Ox и в межзатворных диэлектриках на основе оксида гафния итрёхслойного стека Hf0.8Al0.2Ox/Al2O3/Hf0.8Al0.2Ox в элементах флэш-памяти сSi/TiNx и Si/Ru гибридными плавающими затворами, что позволило получитьновую информацию о природе зарядовых ловушек в указанных диэлектрических пленках.Практическая значимость работы1.

Разработан метод стрессовых и измерительных уровней тока для исследования и модификации тонких диэлектрических пленок МДП-структур вусловиях сильнополевой инжекции электронов, учитывающий процессы заряда емкости структуры и захвата заряда в подзатворном диэлектрикеМДП-структур в инжекционном режиме.2. Показано, что при высоких плотностях инжекционного тока контрольхарактеристик накапливаемого в подзатворном диэлектрике МДП-структурызаряда методом стрессовых и измерительных уровней тока необходимо проводить по изменению напряжения при амплитуде измерительного инжекционного тока много меньшей амплитуды стрессового тока.3.

Найдены энергетические распределения электронов, захватываемых вМДП-структурах на основе диэлектрических пленок SiO2-Hf0.8Al0.2Ox иSiO2-HfO2, а также в межзатворных диэлектриках на основе алюмината гафнияи трёхслойного стека Hf0.8Al0.2Ox/Al2O3/Hf0.8Al0.2Ox в элементах флэш-памятис Si/TiNx и Si/Ru гибридными плавающими затворами.4. Проанализированы различные способы формирования high-k диэлектриков на основе оксида гафния и их влияние на плотность и энергетическоераспределение электронных ловушек в диэлектрической пленке.5. Показано, что применение сильнополевой инжекции электронов длямодификации зарядового состояния МДП-структур предпочтительнее использования электронного облучения, поскольку появляется возможность индивидуальной коррекции характеристик каждого прибора и при определенных режимах сильнополевой инжекции можно значительно снизить сопутствующиедеградационные процессы.6.

Предложены рекомендации по совершенствованию технологическогопроцесса формирования подзатворного диэлектрика КМДП интегральных3микросхем на АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод и АО «ОКБМикроэлектроники» (г. Калуга).Основные положения и результаты, выносимые на защиту: метод стрессовых и измерительных уровней тока для исследования имодификации тонких диэлектрических пленок МДП-структур, учитывающийпроцессы заряда емкости структуры и захвата заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур при установлении сильнополевого инжекционного режима, в котором при высоких плотностях стрессового инжекционного токаконтроль изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика проводят по изменению электрического напряжения на МДП-структуре, контролируемого при измерительной амплитуде инжекционного тока много меньшейамплитуды стрессового тока; результаты исследования модификации МДП-структур с двухслойнымподзатворным диэлектриком SiO2-ФСС, находящихся в условиях как сильнополевой туннельной инжекции электронов, так и при электронном облучении,направленную на корректировку зарядового состояния диэлектрическойпленки; способ повышения средней величины заряда, инжектированного в диэлектрик до его пробоя, и уменьшения количества дефектных структур путемприменения подзатворного диэлектрика на основе пленки SiO2, легированнойфосфором с образованием двухслойного стека SiO2-ФСС с концентрациейфосфора 0,4‒0,9 %, позволяющего залечивать слабые места в подзатворномдиэлектрике за счет накопления в ФСС при сильнополевой инжекции электронов отрицательного заряда, приводящего к увеличению потенциального барьера в месте дефекта и, как следствие, к уменьшению локальных токов; результаты исследования энергетических распределений электронов,захватываемых в МДП-структурах на основе диэлектрических пленокSiO2-Hf0.8Al0.2Ox и SiO2-HfO2, а также в межзатворных диэлектриках на основеалюмината гафния и трёхслойного стека Hf0.8Al0.2Ox/Al2O3/Hf0.8Al0.2Ox в элементах флэш-памяти с Si/TiNx и Si/Ru гибридными плавающими затворами.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах: Весенних конференциях Европейского общества по исследованию материалов E-MRS 2014, E-MRS 2015 (Лилль, Франция, 2014, 2015); XII и XIIIМеждународных конференциях "Физика диэлектриков" (Санкт-Петербург,2011 г., 2014 г.); 41, 42, 44, 45 Международных Тулиновских конференциях пофизике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ,2011 г., 2012 г., 2014 г., 2015 г.); 21-25 Международных конференциях "Радиационная физика твёрдого тела".