Диссертация (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 7

Метод воздействиявозрастающим напряжением подходит для получения информации о дефектах,проявляющихся в слабых электрических полях. Несмотря на указанные вышеособенности, все указанные методы позволяют выявить разницу между дефектными (внешними) и бездефектными (собственными) тестируемыми структурами.В последние годы на кафедре конструирования и производства электронной аппаратуры Калужского филиала МГТУ им. Н.Э.

Баумана для исследованияМДП-структур в условиях сильнополевой инжекции электронов был разработанметод управляемой токовой нагрузки [63‒65]. Данный метод является развитиемметодов постоянного тока и возрастающего тока. Суть метода управляемой токовой нагрузки заключается в приложении к МДП-структуре многоуровневоготокового воздействия и измерении временной зависимости падающего на нейнапряжения [63, 65]. В результате в рамках одного метода без перекоммутацииобразца можно контролировать изменение зарядового состояния структуры какв режиме заряда емкости, так и в режиме сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик. Предложенный метод, в частности, дает возможность измерять следующие характеристики и величины: низкочастотную вольт-фарадную характеристику МДП-структуры, вольт-амперную характеристику образца, временную зависимость изменения напряжения на структуре, характеризующую процесс изменения зарядового состояния диэлектрика, величину заряда, инжектированного в диэлектрик вплоть до пробоя образца.

Использование метода управляемой токовой нагрузки в ряде случаев позволяет существенно повысить точностьизмерений и получить дополнительную информацию об изменении зарядовогосостояния образца в процессе сильнополевой инжекции электронов [65].Следовательно, дальнейшее развитие метода управляемой токовойнагрузки и его адаптация к исследованию МДП-структур с тонкими диэлектрическими пленками и диэлектрическими стеками представляется перспективнымнаправлением совершенствования методов исследования зарядовых явлений в43диэлектрических пленках МДП-структур и энергонезависимых элементов памяти при сильнополевой инжекции электронов.При использовании описанных выше методов инжекции заряда в диэлектрик для получения дополнительной информации об изменении зарядового состояния подзатворного диэлектрика и границы раздела с полупроводником часто используется метод C-V характеристик [3, 66].Другим методом исследования зарядовых явлений в тонких пленкахМДП-структур является метод фото-инжекции [67‒70].

Данный метод применим к МДП-структурам с полупрозрачным верхним электродом или к образцам,у которых в качестве верхнего электрода используется жидкий прозрачныйэлектролит. Данный метод основан на облучении МДП-структуры, к которойприложено электрическое поле, квантами света с энергией, достаточной для фотозаброса носителей заряда из полупроводникового или металлического контакта в зону проводимости диэлектрика, с последующим их транспортом поддействием электрического поля.

С использованием метода фото-инжекции определяют величину потенциального барьера на границах раздела, изучают транспорт носителей заряда через диэлектрическую пленку в широком диапазонеэлектрических полей, захват и освобождение носителей заряда в диэлектрических пленках, в том числе в условиях слабых электрических полей.Для изучения характеристик диэлектрических пленок МДП-структур, исследования электронных и дырочных ловушек, а также стабильности зарядовогосостояния тонких диэлектрических пленок, широко используется метод внутренней фотоэмиссии (Internal PhotoEmission, IPE) [68, 69], большой вклад в разработку которого внёс профессор Афанасьев В.В.

(Лёвенский Католическийуниверситет, Бельгия). В общем случае процесс IPE может быть описан как переход носителя заряда из одного энергетического состояния в другое. НаРис. 1.18 схематично показана модель, учитывающая три основных этапа, являющихся характерными для внутренней фотоэмиссии в МДП-структуре: фотовозбуждение электрона в валентной зоне полупроводника в результате поглощения кванта (а); транспорт фотовозбужденного электрона к границе раздела с44диэлектриком (b); преодоление электроном потенциального барьера на границераздела с диэлектрической пленкой (с).Метод внутренней фотоэмиссии широко используется для анализа энергетических барьеров на границах раздела тонких диэлектрических пленок МДПструктур с полупроводниками и металлами.

Внутренняя фотоэмиссия являетсяодним из наиболее простых и надежных методов исследования потенциальныхбарьеров. Однако при использовании данного метода для исследования дляопределения характеристик ловушек заряда в диэлектрических пленках, можетвозникать ряд неопределенностей, связанных с длительностью процессов, протеканию одновременно нескольких процессов стимулированных воздействиемквантов и т.д. Таким образом, для исследования ловушечных центров в диэлектрических пленках и стеках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти необходима модификация метода внутренней фотоэмиссии и разработкаспециальных алгоритмов измерений и обработки экспериментальных данныхисходя из особенностей исследуемых образцов.Рис.

1.18.Схематическое изображение внутренней фотоэмиссии в видетрехступенчатого процесса: (a) оптическое возбуждения электрона извалентной зоны кремния (эмиттера); (b) транспорт электрона к границераздела с диэлектриком; (c) преодоление фотовозбуждённым электрономпотенциального барьера на границе раздела с диэлектрической пленкой45Выводы к Главе 11. Проанализированы механизмы возникновения инжекционного тока всильных электрических полях в МДП-структурах с тонкими диэлектрическимипленками. Показано, что в МДП-структурах с термическими пленками SiO2 присильнополевой инжекции электронов основными механизмами, определяющими изменение зарядового состояния диэлектрической пленки, являются: захват электронов на ловушки в окисле, генерация и накопление положительногозаряда, генерация дефектов и увеличение плотности поверхностных состояний,генерация новых электронных ловушек в SiO2, создание в пленке окисла критической плотности дефектов и как следствие развитие пробоя.2.

Рассмотрено диффузионное легирование пленки SiO2 фосфором, приводящее к переходу легированной части этой диэлектрической пленки в фосфорно-силикатное стекло и возникновению стека SiO2-ФСС. С пленкой ФССсвязано возникновение электронных ловушек, которые могут захватывать инжектированные в сильных электрических полях электроны, что приводит кнакоплению отрицательного заряда в объеме диэлектрической пленки.3. Проанализированы особенности зарядовых явлений, возникающих вhigh-k диэлектриках и стеках SiO2-high-k диэлектрик.

Особое внимание уделенорассмотрению high-k диэлектриков и стеков на основе оксидов гафния. Показано, что high-k диэлектрики характеризуются повышенным содержанием электронных ловушек, а захват и освобождение заряда с этих ловушек являются основными процессами, определяющими зарядовые явления, наблюдающиеся втаких пленках в сильных электрических полях.4.

Показано, что в элементах энергонезависимой памяти с гибридным плавающим затвором важную роль играет межзатворный диэлектрик. Основные параметры таких элементов памяти главным образом определяются накоплениеми освобождением заряда в межзатворном диэлектрике, а также высотой энергетического барьера на границе гибридный плавающий затвор – межзатворныйдиэлектрик.465. Рассмотрены электрофизические и фотоэлектрические методы исследования зарядовых явлений в тонких диэлектрических пленках и на границах раздела МДП-структур. Показано, что для повышения информативности и получения новых надежных экспериментальных данных по зарядовым явлениям в диэлектрических пленках и стеках МДП-структур и элементов энергонезависимойпамяти необходима модификация методов управляемой токовой нагрузки ивнутренней фотоэмиссии, а также разработка специальных алгоритмов измерений и обработки экспериментальных данных исходя из особенностей исследуемых образцов.47Глава 2.

Методы исследования и модификации тонких диэлектрическихпленок МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти2.1. Метод стрессовых и измерительных уровней тока для исследованиятонких подзатворных диэлектриков МДП-структурВ данном разделе для исследования тонких и тонких диэлектрическихпленок МДП-структур предложен модифицированный метод управляемой токовой нагрузки, получивший название метода стрессовых и измерительныхуровней тока.

Этот метод позволяет контролировать характеристики подзатворных диэлектриков, а также исследовать процессы деградации и модификации МДП-структур при воздействии сильных электрических полей, радиационных облучений, плазменных обработок, инжекции горячих носителей и других стрессовых воздействий. Метод также дает возможность контролироватьдефектность тонких пленок подзатворного диэлектрика МДП-приборов и влияние на неё различных обработок.В отличие от стандартных методов исследования подзатворного диэлектрика, таких как метод постоянного тока и J-Ramp метод [3, 57], в разработанном методе к МДП-структуре прикладывается специальный алгоритм токовоговоздействия, а характеристики диэлектрика контролируются по анализу временной зависимости напряжения, падающего на образце.

При этом учитываются процессы заряда и разряда емкости МДП-структуры, а также захвата заряда в подзатворном диэлектрике. Заряд и разряд емкости МДП-структуры постоянной плотностью тока от режима инверсии до режима аккумуляции илинаоборот позволяет получать низкочастотную C-V зависимость [59, 65]. Учетпроцессов заряда емкости МДП-структуры и захвата заряда в подзатворномдиэлектрике МДП-структур в инжекционном режиме дает возможность существенно повысить метрологические характеристики метода и уменьшить погрешности, возникающие при определении характеристик МДП-структур.48Предлагаемый метод предназначен для исследования зарядов, накапливающихся в объеме подзатворного диэлектрика.