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

2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Введение ............................................................................................................. 5ГЛАВА 1. Зарядовые явления в тонких диэлектрических пленках МДПструктур и элементов энергонезависимой памяти на их основе ..................

121.1. Механизмы транспорта носителей заряда и сопровождающие их зарядовые эффекты в тонких диэлектрических плёнках МДП-структур 121.1.1. Прямое туннелирование ................................................................. 131.1.2. Туннелирование по Фаулеру-Нордгейму ..................................... 151.1.3. Туннелирование через ловушки .................................................... 181.1.4. Транспорт носителей заряда по Пулу-Френкелю ........................ 211.1.5. Механизмы захвата носителей заряда в структурах металлдиэлектрик-полупроводник ........................................................... 221.2. Зарядовые явления в тонких high-k диэлектрика ...................................

271.2.1. Особенности применения high-k диэлектриков .......................... 271.2.2. Зарядовые явления в high-k диэлектриках на примередиэлектрического стека SiO2/HfO2 ................................................ 281.2.3. Природа дефектов в диэлектрическом стеке SiO2/HfO2 структур металл-диэлектрик-полупроводник ....................................... 321.3. Зарядовые явления в диэлектрических пленках элементов энергонезависимой NAND флэш-памяти и их надёжность ................................. 341.4. Методы исследования зарядовых явлений в тонких диэлектрическихпленках МДП-структур ............................................................................

39Выводы к главе 1 ............................................................................................... 45ГЛАВА 2. Методы исследования и модификации тонких диэлектрических пленок МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти ........ 472.1. Метод стрессовых и измерительных уровней тока для исследованиятонких диэлектрических пленок МДП-структур ...................................

472.2. Метод всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошением ................ 552.3. Методсильнополевойинжекционноймодификациитонких3Стр.диэлектрических пленок МДП-структур ................................................ 602.4. Экспериментальные установки, применяемые для исследования имодификации тонких диэлектрических пленок МДП-структур .......... 642.4.1.

Устройство создания сильнополевых инжекционных режимов,реализующее метод стрессовых и измерительных уровней тока, а также метод сильнополевой инжекционной модификации 642.4.2. Установкадляреализацииметодавсеобъемлющейспектроскопии фотоопустошением .............................................. 67Выводы к главе 2 ............................................................................................... 69ГЛАВА 3. Исследование и модификация тонких диэлектрических пленокМДП-структур ................................................................................................... 713.1.

Модификация МДП-структур электронным облучением и сильнополевой инжекцией электронов ................................................................... 713.2. Зарядовые характеристики МДП-структур с термическими плёнкамиSiO2, легированными фосфором, при сильнополевой инжекцииэлектронов .................................................................................................. 803.3. Исследование и моделирование воздействия ионизирующих излучений на МДП-структуры с наноразмерными диэлектрическими пленками ............................................................................................................ 893.4.

Исследованиепроцессовгенерациииэволюциизарядов,накапливаемых в диэлектрических пленках МДП-структур в процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов ..................... 983.5. Исследование методом стрессовых и измерительных уровней токапроцессов накопления отрицательного заряда в МДП-структурах сподзатворным диэлектриком SiO2-ФСС в условиях сильнополевойинжекции электронов ............................................................................... 105Выводы к главе 3 ...............................................................................................

108ГЛАВА 4. Исследование зарядовые явления в тонких диэлектрическихпленках элементов энергонезависимой памяти ............................................. 1104Стр.4.1. Исходные электронные ловушки в диэлектрике HfO2, полученномпосредством атомно-слоевого осаждения .............................................. 1104.2. Исследованиеэнергетическогораспределенияэлектроноввэлементах флэш памяти на основе МДП-структур с диэлектрической пленкой SiO2-Hf0.8Al0.2Ox ................................................................. 1264.3. Анализ энергетического распределения электронов в Si/TiNx и Si/Ruгибридных плавающих затворах в устройствах памяти с межзатворным диэлектриком на основе оксида гафния .........................................

1324.4. Моделирование стекания заряда в элементах энергонезависимой памяти на основе МДП-структур ................................................................ 136Выводы к главе 4 ............................................................................................... 139Основные выводы и заключение ..................................................................... 141Список литературы ........................................................................................... 143Приложения ......................................................................................................

1595ВведениеАктуальность 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 существенновлияет на характер изменения зарядового состояния структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) как при сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик, так и при радиационном облучении. В последнее время подзатворныйдиэлектрик на основе пленки SiO2, пассивированной тонкой пленкой ФСС, широко используется в полевых приборах на основе карбида кремния. Основнойпроблемой при создании диэлектрических пленок для полупроводниковых приборов на основе МДП-структур, позволяющих управлять параметрами приборовпутем 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 зарядовойдефектностью.

Всё это обуславливает необходимость комплексного и всестороннего исследования процесса легирования плёнки SiO2 фосфором и самойструктуры SiO2-ФСС с целью оптимизации параметров диэлектрическойпленки, необходимой для повышения стабильности и надежности МДП-приборов. В современной микро и наноэлектронике при изготовлении МДП-структурнаряду с пленками SiO2 широко использоваться диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемые high-k диэлектрики: Al2O3 (    ),HfO2 (   25 ) и др.).

При этом high-k диэлектрики часто применяются совместнос 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,6такое «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, чтоприводит 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 формированиипланарной структуры плавающего затвора необходимо использовать стек high-kдиэлектриков в качестве межзатворного изолятора. Такая структура памяти может быть реализована за счёт использования гибридного плавающего затвора соструктурой поликремний/метал (poly-Si/metal), что позволяет уменьшить еготолщину, снизить влияние соседних ячеек флэш-памяти друг на друга, увеличить ширину окна программирования.

Однако, при всех вышеуказанных преимуществах, высокая плотность электронных ловушек в high-k межзатворномдиэлектрике остаётся важной проблемой в функционировании флэш-памяти,т.к. процессы их заряжения/разряжения могут являться причиной нестабильности ширины окна программирования/стирания информации, приводить к сокращению времени хранения информации. Таким образом, исследование природыэлектронных ловушек в high-k межзатворном диэлектрике, изучение процессовнакопления на них отрицательного заряда при сильнополевой инжекции электронов и последующее его хранение является важной научной и практическойзадачей.Цель работы: установление физических закономерностей зарядовых явле-ний при инжекции электронов в сильных электрических полях, включая накопление заряда и последующее его хранение в диэлектрических пленках МДПструктур и элементов энергонезависимой памяти.7Для 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 на ха-рактеристики МДП-структур; выполнить исследование возможности использования МДП-структур наоснове диэлектрических пленок на основе оксида и алюмината гафния для элементов флэш-памяти; исследовать энергетическое распределение электронов в межзатворныхдиэлектриках на основе оксида гафния и алюмината гафния в элементах энергонезависимой памяти с гибридным плавающим затвором.Научная новизна1.