Диссертация (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 8

Рекомендуется, чтобы полярность напряжения на затворе во время управляемой токовой инжекции обеспечивала смещение прибора в режим аккумуляции для минимизации влияния инверсной емкости, однако режим инверсии может использоваться, если конструкция или такие факторы, как тепло или освещение обеспечивают источникнеосновных носителей заряда в инверсном слое. Хотя эти измерения можнопроводить при разных температурах, обычно испытания проводят при комнатной температуре (25 + 5 ºC).

Структура тестового МДП-конденсатора должнабыть спроектирована таким образом, чтобы влияние паразитного последовательного сопротивления сводилось к минимуму [57].Разработаны модели, описывающие изменение зарядового состоянияМДП-структур как в режиме заряда емкости, так и в режиме инжекции носителей заряда. Использование этих моделей позволяет выбрать оптимальный алгоритм токового воздействия и повысить точность измерений. В основе разработанной модели лежит следующая система уравнений:- уравнение нейтральности заряда:Q0  t   QC  t   Qinj  t   Qt  t  ;(2.1)- уравнение для заряда, обусловленного приложением к МДП-структуремногоуровневой токовой нагрузки:tn0j 1Q0  t    i0  t dt   I 0 j  t j ;(2.2)- уравнение заряда емкости МДП-структуры:QC  t   C  t VI (t ) ;(2.3)- уравнение для заряда, инжектированного в диэлектрик:tQinj  t    iinj (t )dt ;0- уравнение для инжекционного тока Фаулера-Нордгейма:(2.4)49VI2  t d i  t   ASg 2 exp   B ox  ,d ox VI  t  FNinj(2.5)где Qt  t  ‒ заряд, захватываемый на ловушках в окисле; I 0j ‒ амплитуда прикладываемого к МДП-структуре тока на j-ом участке; t j ‒ длительность j-огоучастка; C  t  – временная зависимость емкости МДП-структуры (в режимеаккумуляции C  t   Cox ); VI (t ) ‒ временная зависимость напряжения, падаю-щего на МДП-структуре; Sg – площадь затвора МДП-структуры; q ‒ зарядэлектрона;d ox–толщинаподзатворногодиэлектрика;t–время;A  1,54  106  m0 / m * b1 [A/B2] и B  6,83  107  m0 / m * 3/2[B/см] – постоянbные туннельной инжекции [58]; m0 и m * ‒ масса электрона в вакууме и эффективная масса электрона в диэлектрике; b ‒ высота потенциального барьерана инжектирующей границе раздела.Представленная модель туннелирования электронов основана на рядепредположений, которые позволяют получить аналитические решения.

Преждевсего, мы предполагаем, что доминирующим механизмом как при стрессовыхнагрузках, так и в условиях измерения, является туннельная по ФаулеруНордгейму инжекция электронов [57]. Далее предполагаем, что пространственное распределение захваченного заряда описывается как латерально равномерное; т.е. захваченный заряд располагается достаточно далеко от инжектирующих границ раздела. Также мы пренебрегаем дискретным характеромнакапливаемого заряда. Наконец, предполагается, что возможное присутствиезарядов противоположного знака имеет лишь незначительное влияние на измеряемые токи.На Рис.

2.1 представлены временные зависимости многоуровневой токовой нагрузки (а), напряжения (VI), падающего на МДП-структуре (b), ёмкостного (Ic) и инжекционного (Iinj) токов (c), используемые в предлагаемом методе.На первом этапе (Рис. 2.1, участок 1) МДП-структуру заряжают импульсом постоянного тока, переводя её в режим аккумуляции или глубокой инверсии. За-50тем изменяют полярность тока (Рис. 2.1, участок 2). Поскольку процесс зарядаёмкости осуществляется постоянным током, то с учетом уравнения нейтральности заряда, временная зависимость ёмкости МДП-структуры на этом участкеоказывается обратно пропорциональна производной dVI  t  / dt [59, 65].Определив временную зависимость емкости МДП-структуры C  t  и учитывая зависимость VI  t  , получаем C-V кривую, которая будет являться низкочастотной C-V зависимостью.

Требования к амплитуде импульса тока научастке 2 аналогичны требованиям к амплитуде емкостного тока в квазистатическом C-V методе. Величина заряда Qinj получается расчетным путем для конкретной исследуемой диэлектрической пленки.Учитывая, что VI  t  функционально связано с поверхностным потенциалом, то при заряде МДП-структуры постоянным током (Рис. 2.1, участок 2)временная зависимость поверхностного потенциала S  t  может быть определена из временной зависимости VI  t  [65].

Рассматривая совместно S  t  иVI  t  , получаем зависимость S VI  . В результате, используя предложенныйметод, можно определить следующие зависимости: низкочастотной емкостиМДП-структуры от смещающего напряжения; поверхностного потенциала отнапряжения и плотности поверхностных состояний от поверхностного потенциала, традиционно получаемые с использованием низкочастотного C-V метода [71].Для исследования электронных процессов, протекающих в подзатворномдиэлектрике МДП-структуры и на границах раздела в широком диапазонесильных электрических полей, а также для уменьшения времени тестирования,осуществляют ступенчатое увеличение амплитуды токового воздействия(Рис. 2.1, участки 3,...,k-1,k; где k ‒ номер участка, на котором производитсяосновная инжекция заряда в подзатворный диэлектрик).

При каждом переключении токовой нагрузки (Рис. 2.1, а), также возникает емкостной ток (Рис. 2.1,с), следовательно, учет процесса заряда емкости МДП-структуры на всем про-51тяжении испытания позволяет повысить точность определения величины инжектированного заряда и корректнее анализировать электронные процессы,протекающие в диэлектрической пленке. При больших величинах плотностейтока в подзатворном диэлектрике могут накапливаться различные заряды, которые также влияют на временную зависимость VI  t  [72].

В этом случае вуравнении нейтральности заряда (2.1) необходимо наряду с инжектированнымзарядом и емкостным зарядом учитывать заряд, накапливаемый в диэлектрике.Рис. 2.1.Временные зависимости токовой нагрузки (а), напряжения наМДП-структуре (b), емкостного и инжекционного тока (c)52При контроле дефектности подзатворного диэлектрика, на k-ом участкаМДП-структура выдерживается вплоть до пробоя образца, а величина заряда,инжектированного в диэлектрик до его пробоя Qbd, определяется с учетом системы уравнений 2.1‒2.5. По результатам статистических измерений Qbd, выполненных на различных МДП-структурах, оценивается дефектность подзатворного диэлектрика [3, 57, 65].При изучении процессов зарядовой модификации и деградации МДПструктур в сильных электрических полях, на k-ом участке (Рис.

2.1) осуществляется инжекция в диэлектрик требуемой величины заряда, при которой непроисходит пробой подзатворного диэлектрика. Затем проводится ступенчатоеуменьшение амплитуды токового воздействия (Рис. 2.1, участки k+1,...,n-2,n-1).В результате удается измерить вольт-амперную характеристику (I-V) сразу после сильнополевого воздействия и получить более полную картину изменениязарядового состояния диэлектрика, включая влияние быстро релаксирующихзарядов, которые стекают после снятия токовой нагрузки.Для измерения низкочастотной С-V характеристики и определения из неёпараметров МДП-структуры, сразу после сильнополевой инжекции электроновна n-м участке Рис.

2.1) полярность прикладываемого тока изменяют на противоположную, и начинается перезарядка емкости МДП-структуры. Таким образом, на этом участке (также, как и на участке 2) можно получить низкочастотную C-V зависимость.Для более детального изучения процессов изменения зарядового состояния МДП-структур при сильнополевой инжекции электронов может быть использован алгоритм испытаний, показанный на Рис.

2.2. На Рис. 2.2 представлены временные зависимости токовой нагрузки (a) и напряжения, измеренногона МДП-структуре (b). В этом алгоритме предлагается использовать два уровня токового воздействия: I s , соответствующий стрессовому режиму, при котором изучается изменение зарядового состояния МДП-структуры и I m , соответствующий измерительному режиму, при котором не наблюдается заметных53изменений зарядового состояния подзатворного диэлектрика (обычно I m = I s ).Использование противоположной полярности токовых воздействий в измерительном режиме  I m дает возможность определить плотность, сечение захватазарядовых ловушек и положение центроида заряда в диэлектрике [65, 72].Рис.

2.2.Временные зависимости токовой нагрузки (a) и напряжения,измеренного на МДП-структуре (b)Инжекцию заряда в подзатворный диэлектрик в стрессовом режиме предлагается проводить частями (участки 3, 7, 11). После инжекции каждой частизаряда токовая нагрузка переключается в режимы I m и  I m , что позволяет измерить изменение напряжения на МДП-структуре как при положительной, так54и отрицательной полярности затвора при измерительной амплитуде инжекционного тока.

Для реализации предложенного алгоритма должно выполнятьсяследующее условие: переключение полярности напряжения на затворе при инжекции для измерения Vm    не должно оказывать влияние на процессы изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика, протекающие приинжекции стрессовым уровнем тока. С этой целью инжекция при отрицательной полярности затвора имеет минимальную длительность и проводится приизмерительной амплитуде тока, которая много меньше амплитуды стрессовоготока. Для получения корректных экспериментальных результатов необходимопровести контрольные измерения на нескольких МДП-структурах при различных длительностях участков стрессовых и измерительных токов.

Алгоритм,показанный на Рис. 2.2, может реализовываться без измерений изменениянапряжения при отрицательной полярности измерительного тока  I m . Однаков этом случае существенно уменьшается информативность предложенного метода. Влияние измерений при отрицательной полярности измерительного тока I m может быть оценено по виду зависимостей сдвига напряжения Vs (притоке I s ), полученных при реализации алгоритма, показанного на Рис. 2.2 , какполностью, так и без измерений изменения напряжения при отрицательной полярности измерительного тока  I m .При больших плотностях инжекционного тока возрастает скорость изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика при выходе МДПструктуры на режим инжекции, соответствующий заданному стрессовому токуI s , в результате чего при установлении стационарного инжекционного режимав подзатворном диэлектрике может произойти накопление некоторой части заряда.