Диссертация (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 4

Также туннелирование носителя заряда при помощи электронных ловушек может быть одним из основных механизмов транспорта носителей в случае, если диэлектрик имеет большую плотность ловушек.Рис. 1.5.Схематичное изображение переноса носителя заряда из металлическогоэлектрода в полупроводниковый слой при туннелированиипри помощи ловушек [1]21 1.1.4. Транспорт носителей заряда по Пулу-ФренкелюТранспорт носителей по Пулу-Френкелю заключается в термической активации носителей заряда с ловушек, энергетически располагающихся в запрещённой зоне диэлектрического слоя, и последующем их переходе в зону проводимости диэлектрика. Эмиссию по Пулу-Френкелю можно считать одной из разновидностей туннелирования через ловушки [10].

Высота потенциального барьера при данном механизме переноса определяется глубиной залегания ловушки,на которую захвачен туннелирующий по Пулу-Френкелю носитель [2]. При данном механизме при низком падении напряжения на диэлектрическом слое МДПструктуры и при высокой температуре окружающей среды ток туннелированияопределяется возбуждёнными электронами, переходящими из одного энергетического состояния в диэлектрическом слое на другое [2].Энергетическая зонная диаграмма МДП-структуры, иллюстрирующая процесс транспорта носителей заряда вследствие эффекта Пула-Френкеля изображена на Рис. 1.6.При использовании приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна можнополучить следующую формулу для вычисления плотности тока туннелированияпо Пулу-Френкелю [2]:J F-P q  B  qE / i E exp kT  ,(1.12)где  i – динамическая диэлектрическая проницаемость диэлектрика.Эмиссия по Пулу-Френкелю характерна для таких диэлектрических плёнокМДП-структур, как Si3N4 и Ta2O5 [12].22 Рис.

1.6.Зонная диаграмма структуры металл-диэлектрик-полупроводник сполупроводниковой подложкой p-типа при эмиссии носителязаряда по Пулу-Френкелю1.1.5. Механизмы захвата носителей заряда в структурах металлдиэлектрик-полупроводникКак уже было отмечено ранее, при транспорте носителя заряда через диэлектрическую плёнку он может быть захвачен на ловушки, локализованные,как правило, в запрещённой зоне диэлектрика. Некоторые исследования такжепредполагают, что захват заряда на ловушки может происходить не тольковследствие транспорта инжектированного заряда, но и вследствие испусканияносителей заряда нейтральными ловушками, находящимися энергетическинепосредственно в запрещённой зоне диэлектрика.

Существуют различные теории, описывающие природу появления таких ловушек, их свойства, механизмызахвата на них носителя заряда и др. Зачастую рассматривают энергетическиеловушки, представляющие из себя потенциальные ямы (кулоновские ловушки).Природа таких ловушек, как правило, связана с технологическими особенностями получения диэлектрических плёнок. Например, кислородные вакансии,23 согласно ряду исследований [13], являются основной причиной появления ловушек в high-k диэлектриках. Эти ловушки связаны не только с вибрационными(vibrational) свойствами рассматриваемого дефекта (при рассмотрении ловушкис точки зрения гармонического осциллятора), но также и с сильной атомной релаксацией, что оказывает влияние на захват носителя заряда на многоэлектронные ловушки (multi-electron traps) [1].

Зарядовые ловушки характеризуют различные параметры, одним из которых, например, является сечение захвата ловушки. Помимо указанных выше механизмов, новые ловушки могут формироваться непосредственно в условиях сильнополевого воздействия на МДП-структуру [1]. Возможный вариант энергетических зарядовых ловушек при инжекцииэлектрона по Фаулеру-Нордгейму показан на Рис.

1.7.Рис. 1.7.Схематичное изображение зонной диаграммы, иллюстрирующеепотенциальную энергия двух идентичных электронных ловушек (1) и (2) в диэлектрике. Стрелкой обозначено направление движение электронаЗахват носителей заряда и сопровождающее его накопление заряда в диэлектрической плёнке в ряде случаев негативным образом влияют на свойствадиэлектрика и, тем самым, ухудшают надёжность МДП-структур [3].

Вследствие накопления заряда на ловушках возможны утечки через диэлектрик, атакже его пробой. Одним из возможных токов утечки является «вызванныйстрессовым воздействием ток утечки» (SILC – stress-induced leakage current). Это24 может быть актуально, например, при хранении заряда на плавающем затвореэнергонезависимой флэш-памяти.Существуют различные модельные представления, описывающие захватносителей положительного и отрицательного зарядов. В процессе транспортаэлектронов через диэлектрическую пленку в сильных электрических полях возрастает их энергия, что в свою очередь приводит к появлению горячих электронов на хвосте распределения [3, 14, 15]. Последующая термализация горячихэлектронов является основным механизмом, приводящим к возникновению дырок и частичному их захвату в диэлектрике и/или на границе раздела с полупроводником [3, 15]. В настоящее время основными эффектами, приводящими квозникновению дырок в подзатворном диэлектрике МДП-структур при сильнополевой инжекции электронов, принято считать межзонную ударную ионизацию в диэлектрике (для толстых пленок, имеющих толщину более 30 нм, Рис.

1.8(a) и инжекцию дырок из анода (для тонких пленок, имеющих толщину менее30 нм Рис. 1.8 (b).Рис. 1.8.Схематическое изображение зонных диаграмм МДП-структур,иллюстрирующее процесс межзонной ударной ионизации для толстыхдиэлектрических пленок (а) и процесс инжекции дырок из анодадля тонких диэлектрических пленок (b)25 Для описания механизмов образования положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур при сильнополевой инжекции электроновтакже часто используют модель освобождения водорода на аноде (Anode Hydrogen Release Model – AHR). В этой модели электроны, инжектированные в анодс достаточной энергией, взаимодействуют с ионами водорода, локализованнымина границе раздела кремний (анод) – диэлектрик, освобождая часть из них(Рис.

1.9). Ионы водорода (протоны) проходят через окисел под воздействиемэлектрического поля, создавая при этом зарядовые ловушки. Из литературы[3, 15, 16] известно, что водород учувствует в процессе генерации дефектов.Например, облучение протонами, даже в отсутствии поля, приводит к генерациидефектов. Деградация МДП-приборов при воздействии горячих электронов происходит вследствие создания этими электронами ловушек на границе разделаSi-SiO2, нарушающих Si-H связи. В [3, 15] было показано, что водород можетсоздавать ловушки в объеме подзатворного диэлектрика.В подавляющем большинстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов с МДП-структурой и проектными нормами более 45 нм в качествеподзатворного диэлектрика продолжают использоваться пленки на основе диоксида кремния [3, 15, 17].

Модификация таких диэлектрических пленок путем легирования или введения других элементов во время окисления является однимиз основных направлений улучшения характеристик МДП-приборов. В этойсвязи, для изготовления подзатворных диэлектриков широко используютсяпленки оксинитрида кремния (SiOxNy) и пленки SiO2, легированные фосфоромили бором [18, 19]. При легировании пленки SiO2 фосфором или бором атомыпримеси могут замещать атом кремния в тетраэдре SiO2 с образованием пленкифосфорно-силикатного (ФСС) или боро-силикатного стекла (БСС), соответственно [20, 21]. Формирование тонкой пленки ФСС с малой (не более 1,2 %)концентрацией атомов фосфора, за счет легирования поверхности пленки SiO2,может существенно изменить характеристики подзатворного диэлектрика [22‒26 27].

В МДП-структурах с подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС при сильнополевой туннельной инжекции часть инжектированных электронов захватываетсяна электронные ловушки, связанные с пленкой ФСС [22, 25].Рис. 1.9.Схематичное изображение зонной диаграммы МДП-структуры,иллюстрирующее модель освобождения водорода на аноде:1 – инжекция электронов;2 – освобождение водорода в результате термализации горячего электрона;3 – перемещение водорода через подзатворный диэлектрик;4 – генерация водородом ловушек зарядаПоявление таких ловушек может быть обусловлено положительно заряженными группами, образуемыми атомами фосфора при вплавлении P2O5 в тетраэдрSiO2 [22] и/или воздействием полярных молекул PCl3 или POCl3 на SiO2 при формировании ФСС, что в свою очередь может приводить к разрыву химическихсвязей между тетраэдрами [21].

В последнее время подзатворный диэлектрик наоснове пленки SiO2, пассивированной тонкой пленкой ФСС, также широко используется в полевых приборах на основе карбида кремния (SiC) [19, 26]. Формирование пленки ФСС в таких приборах позволяет существенно улучшить их27 характеристики, в частности, за счет уменьшения плотности поверхностных ловушек на границе раздела 4H-SiC/SiO2.1.2.

Зарядовые явления в тонких high-k диэлектрика1.2.1. Особенности применения high-k диэлектриковКак уже было упомянуто в предыдущем параграфе, high-k диэлектрики –это диэлектрические материалы, имеющие высокое значение относительной диэлектрической проницаемости k (или  ). Значение  для различных high-k диэлектрических материалов может варьироваться в весьма в широких пределах.Для наиболее часто исследуемых high-k диэлектриков, таких как, например,Ta2O5, HfO2, Al2O3, значение относительной диэлектрической проницаемостилежит, как правило, в рамках   10  80 [28‒32].В литературе зачастую рассматривают high-k диэлектрики в совокупностис интерфейсным слоем, роль которого, например, может играть слой SiO2 (т.н.диэлектрические стеки – dielectric stack), однако это зависит от технологии получения плёнок high-k диэлектриков [33‒35].

Природа происхождения интерфейсного слоя, находящегося между high-k диэлектриком и электродом, играетважную роль в определении того, подходит ли данный high-k материал для конкретного приложения [28, 36]. В некоторых случаях интерфейсные слои создаются намеренно для того, чтобы пассивировать поверхность, предотвратитьдиффузию или повысить адгезию.

Однако, большинство интерфейсных слоёвформируются случайным образом и оказывают негативное влияние на характеристики полупроводниковых приборов, составляющей частью которых они являются [37].Интерфейсные слои могут несколько уменьшать ёмкость слоя high-k диэлектрика [37]. Оксидные интерфейсные слои могут быть сформированы приследующих химических реакциях подложки: (I) при реакции с прекурсорами,28используемыми для создания плёнки high-k диэлектрика; (II) при реакции с кислородом, находящимся непосредственно в плёнке high-k диэлектрика; (III) приреакции с примесями кислорода, которые проникают через плёнку high-k диэлектрика.

Хотя некоторые high-k материалы должны быть стабильными приконтакте с кремнием, всё же в большинстве случаев при осаждении таких материалов имеет место быть неравновесное состояние. Чаще всего на кремниевойподложке в качестве интерфейсного слоя формируется либо слой SiO2, либокремниевая/high-k смесь [37].Вне зависимости от того, какой интерфейсный слой был сформирован, общая электрическая ёмкость стека интерфейсный слой/high-k диэлектрик будетменьше, чем ёмкость high-k плёнки самой по себе. Ёмкость двух конденсаторов(1 и 2), включённых последовательно, определяется следующей формулой:1Ctotal C11  C21 .

Ёмкость конденсатора вычисляется как C   0 S / d , где S – пло-щадь конденсатора, d – толщина диэлектрической плёнки. Для определения эффекта уменьшения ёмкости конденсатора с диэлектрическим стеком в сравнении с конденсатором с одиночным диэлектрическим слоем вводят понятие эквивалентной толщины оксида (EOT – Equivalent Oxide Thickness) [37]. EOTпредставляет из себя толщину плёнки SiO2 с относительной диэлектрическойпроницаемостью   3,9 , которая пропорциональна ёмкости конденсатора сhigh-k диэлектриком. Общая эквивалентная толщина стека определяется следующей формулой:EOT 1.2.2.Зарядовые  SiO 2  d (high-k)  d  SiO 2  .  high-k явлениявhigh-kдиэлектриках(1.13)напримередиэлектрического стека SiO2/HfO2Как уже было отмечено в 1.2.1, в подавляющем большинстве случаев приформировании high-k диэлектриков также имеет место быть плёнка диоксида29кремния, вследствие чего образуется диэлектрический стек SiO2/high-k диэлектрик.