Автореферат (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 3

1. Временные зависимости токовой нагрузки (a) и напряжения, измеренного на МДП-структуре (b)Для исследования зарядовых ловушек и их энергетического распределения в МДП-структурах и в межзатворных диэлектриках в элементах флэш-памяти использовался метод всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошением (Exhaustive PhotoDepopulation Spectroscopy ‒ EPDS). Метод всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошением позволяет достичь насыщения процесса освобождения электронов из диэлектрической плёнки за счёт её облучения при данной энергии фотона h и вычислить соответствующее изменениезарядового состояния диэлектрика посредством измерения величины сдвигавольт-фарадной или вольт-амперной характеристик образца, а из полученногоизменения зарядового состояния вычислить спектральную плотность заряда.Насыщение процесса освобождения с ловушек означает, что практически всеносители заряда, доступные для фотовозбуждения при данной величине энергии фотона h высвобождены, т.е.

нет электронов, оставшихся на энергетических состояниях, лежащих на глубине E t  h . Начиная с малого значенияэнергии h и затем увеличивая его на небольшое значение h (шаг), освобождение будет приходить к насыщению, т.е. полному удалению носителейзаряда с ловушек в соответствующем интервале энергий h; h  h . Затем,после облучения фотонами из всего заданного дискретного энергетическогоспектра, становится возможным найти распределение электронных ловушек8как функцию E t по всей запрещённой зоне диэлектрика. Важно то, что в отличие от методики измерения фототока, наблюдение за зарядом позволяетопределять его знак, тем самым разделяя переход возбуждённого электрона извалентной зоны диэлектрика на пустой дефектный уровень и переход электрона из запрещённой зоны диэлектрика в зону проводимости. По энергииначала активного освобождения с ловушек, полученной спектроскопией фотоопустошением, можно определить, откуда происходит высвобождение основной части заряда – с ловушек в IPD диэлектрике или с плавающего затворадля случая ячейки флэш-памяти.Для реализации метода стрессовых и измерительных уровней тока быларазработана автоматизированная установка инжекционного контроля диэлектрических пленок.Разработанный метод стрессовых и измерительных уровней тока используется в производственном процессе на АО «Восход» - Калужский радиоламповый завод и АО «Микроэлектроники» и применяется для контроля параметров подзатворного диэлектрика КМДП интегральных микросхем.В третьей главе представлены результаты комплексного исследованиязарядовых явлений в МДП-структурах с термическими плёнками SiO2, легированными фосфором, при сильнополевой инжекции электронов и облучениинизкоэнергетическими электронами.Рассмотрена возможность модификации МДП-структур c пленкойSiO2-ФСС путём сильнополевой туннельной инжекции электронов в подзатворный диэлектрик и облучения структур низкоэнергетическими электронами, а также проведено исследование влияния режимов сильнополевой инжекционной обработки на характеристики МДП-структур.В качестве экспериментальных образцов использовались тестовыеМДП-конденсаторы, изготовленные на кремнии n-типа.

Слой диоксид кремния толщиной 7  50 нм получали термическим окислением кремния в атмосфере кислорода при температуре 850  1000 С. Пленку ФСС толщиной3  15 нм формировали диффузией фосфора из газовой фазы путем пиролизасмеси POCl3-O2 при температуре 900 С. С целью получения экспериментальных образцов с различной толщиной ФСС варьировалось время загонки фосфора в пределах от 1,5 до 6 минут. В качестве затвора использовались плёнкиполикремния (Si*), легированные фосфором, а также пленки алюминия, имеющие площадь 10-4  10-2 см2.Для инжекционной модификации МДП-структур использовалась сильнополевая туннельная инжекция электронов из кремниевой подложки в режимепротекания постоянного инжекционного тока плотностью от 0,1 мкА/см2 до10 мА/см2.

В процессе инжекции осуществлялся контроль напряжения наМДП-структуре, что позволяло получать информацию об изменении зарядового состояния диэлектрической пленки непосредственно в процессе модификации. Для определения величины термостабильной компоненты накопленного в диэлектрике отрицательного заряда, после инжекционных и радиационных обработок МДП-структуры подвергались отжигу при температурах9150 ÷ 250 ºС в течение времени от 5 до 30 мин.

Изменение зарядового состояния МДП-структур контролировалось с использованием C-V метода и методастрессовых и измерительных уровней тока. Для изучения влияния воздействияэлектронного облучения на характеристики МДП-структур использовалсярастровый электронный микроскоп EVO 40 фирмы Zeiss.На Рис. 2 приведены зависимости приращения напряжения наМДП-структуре в процессе инжекционной (1) и радиационной (2) модификации от плотности инжектированного заряда и флюенса электронов (с энергией18 кэВ). При облучении низкоэнергетическом электронами изменение зарядового состояния МДП-структур в основном обусловлено протеканием ионизационных процессов и наблюдаемые физические процессы во многом идентичны явлениям, возникающим при сильнополевой инжекции электронов.

НаРис. 2 плотность инжектированных электронов определяется как N  Qinj / q ,где Qinj – заряд, инжектированный в диэлектрик; q – заряд электрона. Каквидно из Рис. 2, при облучении электронами в подзатворном диэлектрикенакапливается более низкая плотность отрицательного заряда по сравнениюсо случаем использования сильнополевой инжекции.Рис. 2. Зависимости приращения напряжения на МДП-структуре в процессе сильнополевой инжекции электронов (1) и электронного облучения сэнергией 18 кэВ (2), а также после отжига обработанных образцов при 200 ºС(1', 2') от плотности инжектированных электронов (N) (1, 1') и флюенса электронов (F) при облучении (2, 2')Накопление в объеме подзатворного диэлектрика заданной плотноститермостабильной компоненты отрицательного заряда позволяет корректировать пороговое напряжение МДП-транзисторов, а также повышать пробивное10напряжение подзатворного диэлектрика и уменьшать вероятность его пробояпутем залечивания дефектов («слабых мест») за счет накопления в них отрицательного заряда.

На Рис. 3 представлены гистограммы распределенияМДП-структур по заряду, инжектированному в диэлектрик до его пробоя в режиме протекания постоянного тока, для образцов, имеющих подзатворный диэлектрик SiO2 (1), и образцов с двухслойным подзатворным диэлектрикомSiO2-ФСС (2, 3). Как видно из Рис.

3, применение двухслойного подзатворногодиэлектрика SiO2-ФСС с концентрацией фосфора в пленке ФСС 0,4‒0,9 % позволяет повысить среднюю величину заряда, инжектированного в диэлектрикдо его пробоя и уменьшить количество дефектных структур с малым значением заряда, инжектированного до пробоя. Этот эффект объясняется залечиванием «слабых мест» в подзатворном диэлектрике за счет накопления в нихотрицательного заряда и, как следствие, уменьшением величины локальныхинжекционных токов, протекающих в местах дефектов и приводящих к егопробою.

В результате захвата инжектированных электронов увеличивается потенциальный барьер, препятствующий локализации токов в областях дефектовв диэлектрической пленке.Рис. 3. Гистограммы распределения МДП-структур по заряду, инжектированному в диэлектрик до его пробоя, для образцов с подзатворным диэлектриком SiO2 (1) и образцов с двухслойным подзатворным диэлектрикомSiO2-ФСС (2, 3), имеющих плёнку ФСС различной толщины: 2 – 9 нм;3 – 22 нмНа основе проведенных исследований предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса формирования подзатворногодиэлектрика КМДП интегральных микросхем на АО «Восход» – Калужскийрадиоламповый завод и АО «ОКБ Микроэлектроники» (г. Калуга).11В четвертой главе приведены результаты исследования зарядовых явлений в тонких диэлектрических пленках элементов энергонезависимой памяти,сформированных на основе high-k диэлектриков (HfO2, Hf0.8Al0.2Ox, диэлектрического стека Hf0.8Al0.2Ox/Al2O3/Hf0.8Al0.2Ox).Исследование МДП-структур на основе диэлектрических пленокSiO2-Hf0.8Al0.2Ox показало, что энергетическое распределение электронов, захватываемых в Hf0.8Al0.2Ox, лежит в диапазоне 1,5 ÷ 3,5 эВ и, следовательно,на основе таких структур могут создаваться элементы флэш-памяти.На Рис.

4 приведены энергетические распределения зарядов, захваченныхвэлементахэнергонезависимойфлэш-памятисоструктуройp-Si/SiO2/Si/TiNx/Hf0.8Al0.2Ox/TiNx (с гибридным плавающим затвором Si/TiNx)в результате проведения инжекции электронов из полупроводниковой подложки при напряжении на затворе Vg  12 В, полученные в результате применения метода всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошением. Из результатов, показанных на Рис. 4, можно сделать вывод, что как для образцов флэшпамяти, отожжённых в атмосфере N2 в течение 5 минут при 800 ºС, так и дляобразцов, по отношению к которым отжиг не применялся, фотоопустошениеэлектронов начинается с энергии, равной приблизительно 2,8 эВ и находитсяв активной фазе вплоть до 4,3 эВ.Очевидно, что этот энергетический диапазон шириной 1,5 эВ (начиная с2,8 эВ) отличается от соответствующего при проведении фотоопустошения словушек, локализованных в межзатворном диэлектрике Hf0.8Al0.2Ox.

Исходя изэтого, можно заключить, что основная часть инжектируемых электронов захватывается на гибридный плавающий затвор, в то время как число электронов, захватываемых на ловушки в межзатворном диэлектрике, незначительно.Таким образом, можно сказать, что энергетическое распределение электроновв стеке Si/TiNx/Hf0.8Al0.2Ox существенно более глубокое по сравнению с энергетическим распределением электронов в образцах без гибридного плавающего затвора, а центр распределения имеет значение примерно 3 эВ (Рис.