Диссертация (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 2

Разработаны теоретические основы метода исследования и модификациитонких диэлектрических пленок МДП-структур в условиях инжекции электронов в сильных электрических полях с использованием стрессовых и измерительных уровней тока, учитывающего процессы заряда емкости структуры и захватазаряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур в инжекционном режиме.2.

Впервые показано, что применение подзатворного диэлектрика на основепленки SiO2, легированной фосфором с образованием двухслойного стека SiO2ФСС с концентрацией фосфора в пленке ФСС 0,4‒0,9 % позволяет залечивать«слабые места» в подзатворном диэлектрике за счет накопления в ФСС присильнополевой инжекции отрицательного заряда, приводящего к увеличениюпотенциального барьера в месте дефекта и, как следствие, уменьшению локальных токов.83. Установлено, что отрицательный заряд, накапливающийся в плёнке ФССв структурах с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС как в процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов, так и при электронномоблучении, может использоваться для модификации МДП-приборов, при этомиспользование 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 пленок SiO2-Hf0.8Al0.2Ox и вмежзатворных диэлектриках на основе оксида гафния и трёхслойного стекаHf0.8Al0.2Ox/Al2O3/Hf0.8Al0.2Ox в элементах флэш-памяти с Si/TiNx и Si/Ru гибридными плавающими затворами.Практическая значимость работы1.

Разработан метод исследования и модификации тонких диэлектрическихпленок МДП-структур в условиях сильнополевой инжекции электронов с использованием стрессовых и измерительных уровней тока, учитывающий процессы заряда емкости структуры и захвата заряда в подзатворном диэлектрикеМДП-структур в инжекционном режиме.2. Показано, что при высоких плотностях инжекционного тока контроль характеристик накапливаемого в подзатворном диэлектрике заряда методом стрессовых и измерительных уровней тока необходимо проводить по изменениюнапряжения на МДП-структуре при амплитуде измерительного инжекционноготока 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-памяти сSi/TiNx и Si/Ru гибридными плавающими затворами.94.

Проанализированы различные способы формирования high-k диэлектриков на основе оксида гафния и их влияние на плотность и энергетическое распределение электронных ловушек в диэлектрической пленке.5. Показано, что применение сильнополевой инжекции электронов для модификации зарядового состояния МДП-структур предпочтительнее использования электронного облучения, поскольку появляется возможность индивидуальной коррекции характеристик каждого прибора и при определенных режимахсильнополевой инжекции можно значительно снизить сопутствующие деградационные процессы.6.

Предложены рекомендации по совершенствованию технологическогопроцесса формирования подзатворного диэлектрика КМДП интегральных микросхем на АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод и АО «ОКБ Микроэлектроники» (г. Калуга).Основные положения и результаты, выносимые на защиту: метод стрессовых и измерительных уровней тока для исследования и мо-дификации тонких диэлектрических пленок МДП-структур, учитывающий процессы заряда емкости структуры и захвата заряда в подзатворном диэлектрикеМДП-структур при установлении сильнополевого инжекционного режима, в котором при высоких плотностях стрессового инжекционного тока контроль изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика проводят по изменениюнапряжения на МДП-структуре, контролируемого при измерительной амплитуде инжекционного тока много меньшей амплитуды стрессового тока; результаты исследования МДП-структур с двухслойным подзатворнымдиэлектриком SiO2-ФСС, находящихся в условиях как сильнополевой туннельной инжекции электронов, так и при электронном облучении, позволяющие осуществлять модификацию МДП-приборов; способ повышения средней величины заряда, инжектированного в ди-электрик до его пробоя, и уменьшения количества дефектных структур путемприменения подзатворного диэлектрика на основе пленки SiO2, легированной10фосфором с образованием двухслойного стека SiO2-ФСС с концентрацией фосфора 0,4‒0,9 %, позволяющего залечивать слабые места в подзатворном диэлектрике за счет накопления в ФСС при сильнополевой инжекции электронов отрицательного заряда, приводящего к увеличению потенциального барьера в месте дефекта и, как следствие, уменьшению локальных токов; результаты исследования энергетических распределений электронов, за-хватываемыхвМДП-структурахнаосноведиэлектрическихпленокSiO2-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 XIII Международных конференциях "Физика диэлектриков" (Санкт-Петербург, 2011 г.,2014 г.); 41, 42, 44, 45 Международных Тулиновских конференциях по физикевзаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ, 2011 г., 2012г., 2014 г., 2015 г.); 21-25 Международных конференциях "Радиационная физикатвёрдого тела".

(Севастополь, 2011 - 2015 гг.); I и III - VIII Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению«Наноматериалы» и «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (Рязань,2008, 2010 – 2015 гг.); I - IV Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва, Калуга,2008, 2009, 2010, 2011); Международной научно-технической конференция«Нанотехнологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010); 1 и 2Всероссийской школа-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологическойсети "Функциональные наноматериалы для космической техники" (Москва,2010 г., 2011 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие11технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 2008 - 2015 гг.); 13 Европейском вакуумном конгрессеEVC13 (Авейру, Португалия, 2014 г.); 9 Международной конференции «Новыеэлектрические и электронные технологии и их промышленное применение»NEET 2015 (Закопане, Польша, 2015).Личный вклад автора: разработан метод стрессовых и измерительныхуровней тока для исследования и модификации тонких диэлектрических пленокМДП-структур; проведены исследования МДП-структур с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС как в процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов, так и при электронном облучении; предложен способ повышения средней величины заряда, инжектированного в диэлектрик до его пробоя,и уменьшения количества дефектных структур; выполнены все аналитические иэкспериментальные 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; проведена интерпретация экспериментальных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.Публикации.

По теме диссертации опубликовано 35 работ, из которых9 – в рецензируемых журналах перечня, рекомендованного ВАК МинобрнаукиРФ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы158 страниц, включая 50 рисунков. Список литературы содержит 130 наименований.12Глава 1. Зарядовые явления в тонких диэлектрических пленкахМДП-структур и элементов энергонезависимой памяти на их основе1.1.

Механизмы транспорта носителей заряда и сопровождающие ихзарядовые эффекты в тонких диэлектрических плёнках МДП-структурПри рассмотрении идеального МДП-конденсатора (конденсатора со структуройметалл-диэлектрик-полупроводник)проводимостьдиэлектрическойплёнки предполагается равной 0. Однако реальные МДП-конденсаторы демонстрирую ненулевую проводимость при приложении к обкладкам МДП-конденсатора напряжений, вызывающих появление сильных электрических полей, илипри повышении температуры окружающей среды.Туннелированием называется процесс переноса носителей через диэлектрическую плёнку МДП-структур при приложении сильного электрическогополя. Туннелирование является результатом квантовых механизмов, посредством которых волновая функция электрона может проходить сквозь потенциальный барьер.

В идеальном случае процесс туннелирования происходит без захвата туннелирующего носителя заряда на какие-либо ловушки. Туннелирование через диэлектрический слой, в зависимости от его толщины, механизма переноса заряда и других параметров, можно подразделить на туннелирование носителей заряда по Фаулеру-Нордгейму, прямое туннелирование, туннелирование при помощи ловушек и туннелирование по Пулу-Френкелю [1‒3]. В зависимости от механизма туннелирования, относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика (  или k), а также других факторов, вероятность туннелирования носителей через диэлектрический слой отличается.