Диссертация (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 5

Поэтому в литературе при рассмотрении механизмов протекания зарядовых явлений в том или ином high-k диэлектрике обычно рассматривают зарядовые явления в диэлектрическом стеке SiO2/high-k диэлектрик. При приложениик структуре металл-диэлектрик-полупроводник, содержащей диэлектрическийстек SiO2/HfO2, воздействия, например, постоянного напряжения определённойамплитуды, приводящего к возникновению инжекции носителей заряда в диэлектрический стек, могут наблюдаться следующие нижеуказанные процессы[33].1) Захват заряда на ловушки.

При попытке нахождения причин сдвига порогового напряжения МДП транзистора с подзатворным диэлектрикомSiO2/HfO2 была предложена модель захвата заряда в диэлектрическом стеке [38],заключающаяся в том, что зона, содержащая дефекты в плёнке HfO2, энергетически находится в запрещённой зоне диоксида гафния между уровнем Фермикремния и дном зоны проводимости HfO2 (Рис. 1.10).Рис.

1.10.Схематичное изображение энергетической зонной диаграммы МДП-структурыс диэлектрическим стеком SiO2/HfO2,показывающей распределение дефектов (зарядовых ловушек) длямодели, предполагающей, что дефектная область располагается между уровнемФерми Si и дном зоны проводимости HfO230Преимущество данной модели заключается в том, что она качественно объясняет процессы захвата инжектируемого заряда и его высвобождения с дефектов посредством туннелирования носителей заряда через интерфейсный слойSiO2. Также существует модель для МДП-структуры с диэлектрическим стекомHfO2/SiO2, предполагающая что причиной сдвига порогового напряжения МДПтранзисторов являются дефекты, расположенные так, как это показано наРис.

1.11 [39].Рис. 1.11.Схематичное изображение энергетической зонной диаграммы МДП-структурыс диэлектрическим стеком SiO2/HfO2, показывающей распределение дефектов(зарядовых ловушек) для модели,описывающей причину сдвига порогового напряжения МДПтранзисторов с подзатворным диэлектриком SiO2/HfO2Однако, основной проблемой для надёжности плёнки high-k диэлектрикаявляется заряд, накапливаемый в объёме плёнки high-k диэлектрика, а также награнице раздела интерфейсный диэлектрик – high-k диэлектрик (SiO2/HfO2) [40].Для того, чтобы охарактеризовать вышеуказанный заряд, исследовались, например, МДП-структуры, содержащие high-k диэлектрическую плёнку различнойтолщины [41].

Результаты таких исследований показали, что захват носителей31заряда при их инжекции в диэлектрик происходит преимущественно в объёмеhigh-k диэлектрического слоя стека SiO2/HfO2, в отличие от границы раздела.Это следовало из того, что при использовании более тонкой плёнки high-k диэлектрика захватывается меньшее количество заряда. Исследования показывают, что большинство электронов захватываются из зоны проводимости диоксида гафния.

Исследования также говорят о том, что кинетика захвата заряда вдиэлектрической плёнке может быть описана с использованием статистикиШокли-Рида-Холла [42].2) Освобождение захваченного на ловушки заряда. В литературе [38] сообщается, что при приложении отрицательного постоянного напряжения достаточной величины к затвору МДП-структуры с двухслойным диэлектрикомSiO2/HfO2, имеющей захваченный на ловушки в диэлектрической плёнке заряд(в случае, если затвором является Si подложка n-типа), может произойти полноевысвобождение захваченного заряда. Однако, даже при обратной полярностинапряжения (положительной по отношению к затвору), происходит частичноеосвобождение заряда.

Данное высвобождение может происходить вследствиедвух возможных механизмов освобождения захваченного заряда. Первый из нихзаключается в туннелировании электронов с ловушек в полупроводниковуюподложку (обратное туннелирование – back-tunneling), в то время как второйпредставляет из себя переход электронов по ловушкам вследствие эффектаПула-Френкеля вплоть до металлического электрода (Рис. 1.12).Исследования показывают [42], что кинетика освобождения заряда посредством обратного туннелирования может быть модельно обоснована при помощиопределённого приближения, схожего с моделью Шокли-Рида-Холла. Фактосвобождения накопленного заряда посредством эффекта Пула-Френкеля подтверждён экспериментально [43]. В зависимости от технологического процессаосаждения high-k диэлектрика (например, ALCVD, MOCVD и др.), типа интерфейсного оксида и границ раздела, механизмы захвата/освобождения могут несколько варьироваться [33].32Рис.

1.12.Схематичное изображение зонной диаграммы структурыn-Si/SiO2/HfO2/MG в условиях приложенного к полупроводниковойn-Si подложке положительного постоянного напряжения,иллюстрирующее два механизма освобождения заряда с ловушек:обратное туннелирование и перенос зарядапо Пулу-Френкелю [33]Помимо вышеуказанных зарядовых явлений в диэлектрических стеках сhigh-k диэлектриком при сильнополевом воздействии также может наблюдатьсясоздание новых электронных ловушек (дефектов), что может приводить к дополнительным зарядовым эффектам [44].

Кроме того, необходимо отметить, чтосогласно ряду исследований, наблюдается весьма сильная зависимость зарядовых явлений в МДП-структуре с диэлектрическим стеком с high-k диэлектрикомот температуры окружающей среды – с повышением температуры протеканиезарядовых процессов существенно ускоряется [44].1.2.3. Природа дефектов в диэлектрическом стеке SiO2/HfO2 структурметалл-диэлектрик-полупроводникФизическая и химическая природа происхождения электронных ловушек вдиэлектрическом стеке SiO2/HfO2 МДП-структуры остаётся не ясной. Среди33всех дефектов кристаллической решётки, согласно исследованиям, наибольшуюроль, скорее всего, играют междоузельные атомы кислорода и положительно заряженные кислородные вакансии вследствие того, что они могут захватыватьэлектроны со дна зоны проводимости оксида гафния и кремниевой подложки.Второй процесс играет особенно важную роль при тонких диэлектрическихплёнках [45].

Ряд исследований показывает распределение дефектов по энергиям в зависимости от их происхождения [45]. Одно из таких распределений показано на Рис. 1.13.Вышеуказанные факты также подтверждаются исследованиями с помощьюметода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), показывающими, что дефекты O2‒ (Рис.

1.13), заряженные отрицательно, являются результатом захватаэлектронов в плёнке HfO2 [46]. Кроме того, хлорные примеси, а также различныесвязанные с водой дефекты, такие как OH (OH-) группы, могут захватывать инжектируемый заряд.Рис. 1.13.Распределение заряженных дефектов по энергиям в плёнке HfO2, имеющейэлементарную ячейку моноклинной сингонии [45]34Для уменьшения количества дефектов в плёнке HfO2 и других high-k диэлектриках могут использоваться различные средства. Одним из таких средствявляется создание практически не имеющей зарядовых ловушек плёнки high-kдиэлектрика путём её легирования N или La.

Благодаря внедрению таких примесей, по некоторым параметрам (relaxation current) плёнка HfO2 может бытьсравнима с плёнкой SiO2 [47].Несмотря на описанные выше результаты многочисленных исследований,до сих пор ряд вопросов, касающихся зарядовых явлений в МДП-структурах сдиэлектрическим стеком, содержащим high-k диэлектрик, остаются до конца невыясненными. Например, нет достаточного количества комплексных исследований, отражающих как энергетическое распределение зарядов на ловушках в диэлектрическом стеке, так и механизмы переноса и захвата носителей заряда вhigh-k диэлектрике, что делает необходимой решение задачи создания новых методик исследования зарядовых явления в стеках с high-k диэлектриком, а такжесоздания новых моделей, описывающих зарядовые эффекты в таких стеках.

Помимо того существует множество вопросов касательно природы происхождениязарядовых ловушек в high-k диэлектрике, несмотря на большое количество различных исследований.1.3. Зарядовые явления в диэлектрических элементов энергонезависимойNAND флэш-памяти и их надёжностьЯчейка NAND флэш-памяти обычно представляет собой МДП транзисторс плавающим затвором, т.е. транзистор с затвором, который полностью окружёндиэлектриками (туннельным диэлектриком и межзатворным диэлектриком (IPD– InterPoly Dielectric), называемым плавающим, и управляющим затвором [48].Плавающий затвор хранит заряд (отрицательный или положительный), которыйопределяет логическое состояние памяти.

Наличие того или иного заряда определяется при помощи величины порогового напряжения транзистора Vth . В35NAND флэш-памяти запись/стирание информации осуществляется путём инжекции носителей заряда из полупроводниковой подложки на плавающий затвор через туннельный диэлектрик, при этом перенос носителей заряда осуществляется, как правило, либо по механизму Фаулера-Нордгейма, либо посредством прямого туннелирования (см. параграф 1.1) [49‒51]. Схематично типоваяструктура ячейки NAND флэш-памяти представлена на Рис. 1.14.Рис.

1.14.Схематичное изображение МДП-транзистора с плавающем затвором(в сечении, показывающем ширину канала), являющего элементарнымкомпонентом микросхемы NAND флэш-памяти. TO – туннельно-прозрачныйоксидный слой, FG – плавающий затвор, Inter-poly (ONO) – межзатворный диэлектрик, CG – управляющий затвор, STI – изоляция от соседнихэлементов в микросхеме памяти (Shallow Trench Isolation) [50]Основными характеристиками NAND флэш-памяти являются время хранения информации, стабильность ширины окна программирования (устойчивостьпорогового напряжения) и другие параметры, характеристики которых зависят,например, от свойств материалов туннельного диэлектрика и межзатворного диэлектрика, от свойств материала плавающего затвора и т.д. [51]Помимо МДП транзистора, для описания физических процессов, во многомопределяющих вышеуказанные параметры флэш-памяти, происходящих как во36время программирования/стирания информации в результате полевого воздействия, так и во время хранения заряда (информации), могут использоватьсяМДП конденсаторы с соответствующей структурой [52].Постоянное уменьшение проектных технологических норм приводит кнеобходимости поиска новых материалов для использования как для плавающего затвора, так и для межзатворного диэлектрика.

При уменьшении проектных норм расстояние между соседними ячейками NAND флэш-памяти, инымисловами питч (pitch), становится меньше допустимого, что приводит к существенному ухудшению характеристик памяти [53]. Также вследствие уменьшения проектных норм уменьшается толщина межзатворного диэлектрика, по причине чего увеличиваются токи утечки, что может сопровождаться потерей информации. Эти и другие ограничения приводят к необходимости использовать вкачестве межзатворного диэлектрика high-k диэлектрики, а также многослойныедиэлектрики (диэлектрические стеки) на основе high-k диэлектриков [53].