Диссертация (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 9

Вследствие этого, временная зависимость Vs  t  не учитывает этот заряд,что может приводить к существенным погрешностям при оценки изменениязарядового состояния МДП-структур.Измерение изменения напряжения на МДП-структуре при токе I m позволяет учесть заряд, накапливаемый в подзатворном диэлектрике, при выходе55МДП-структуры на режим инжекции, соответствующий стрессовому току, и,тем самым, значительно снизить погрешность, присущую методу постоянноготока. Например, изменение напряжения Vm  Vm4  Vm1 учитывает как заряд,накопленный в подзатворном диэлектрике во время выхода на режим инжекции при воздействии стрессовым уровнем тока I s , так и заряд, накопленный вдиэлектрике в результате инжекции электронов на участке 3 (Рис. 2.2).

В то жевремя, изменение напряжения на МДП-структуре Vs3 в конце 3-ого участкаучитывает только заряд, накопленный в подзатворном диэлектрике при инжекции электронов стрессовым уровнем тока I s на участке 3 (Рис. 2.2).Предложенный способ получения C-V и I-V характеристик в рамках одного метода позволяет контролировать параметры зарядовой деградации сразупосле туннельной инжекции, снизив влияние релаксационных процессов.2.2. Метод всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошениемМетод всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошением используетсядля определения типа ловушек (электронные или дырочные ловушки) в диэлектрике МДП-структуры или межзатворном диэлектрике ячейки флэшпамяти (IGD), их плотности и распределения по энергиям [73, 74].

Алгоритмреализации метода может быть следующим. Прежде всего, для того, чтобы заполнить зарядовые ловушки, в диэлектрический слой инжектируются носителизаряда (электроны) в условиях приложенного к полупрозрачному металлическому затвору с целью реализации процесса туннелирования электронов положительного напряжения амплитуды Vg [75]. Для исследуемых образцов, имеющих подложку p-Si, структуру одновременно с проведением инжекции необходимо облучать светом (с энергией квантов больше ширины запрещенный зоны кремния) для того, чтобы сгенерировать достаточное количество электронов посредством их возбуждения из валентной зоны кремния. Процесс облуче-56ния образца светом и электронная инжекция в диэлектрический слой показанына Рис.

2.3.Рис 2.3.Схематичное изображение зонной диаграммы структурыp-Si/SiO2/Trapping layer/Me (Me ‒ полупрозрачный металлический электрод),показывающее инжекцию электронов из полупроводниковой подложки в диэлектрический слой (Trapping layer) в условиях приложенного электрическогополя ( Vg ) при облучении светом ( h ) и последующий их захват на энергетические ловушки в запрещённой зоне диэлектрикаВ случае, если образец имеет полупроводниковую подложку n-Si, то облучение светом не является необходимым условием для проведения инжекции.Вследствие проведения инжекции часть зарядовых ловушек в диэлектрическомслое становится заполненной.

После инжекции заряда исследуемый образецвыдерживается в темноте в течение, примерно, 12 часов в условиях комнатной57температуры для достижения стабильного зарядового состояния структуры изавершения термически активированного процесса освобождения заряда. Далее необходимо убедиться в том, что высокочастотные C-V характеристики(1 МГц) исследуемого образца повторяются в пределах погрешности : 20 мВ.Контроль зарядового состояния образца также можно проводить методомстрессовых и измерительных уровней тока, описанным в параграфе 2.1.Затем выполняется фотоионизация (PhotoIonization ‒ PI) захваченных висследуемом образце электронов посредством облучения структуры монохроматическим светом в условиях приложенного к металлическому электроду образца электрического поля Vg  0 (Рис. 2.4).

Энергия облучающих образец фотонов при осуществлении фотоионизации может варьироваться в различныхпределах в зависимости от исследуемой структуры. Например, для исследования структур, указанных в работе [73], брался дискретный диапазон энергий от1,3 до 6,1 эВ с шагом h  0,3 эВ. Облучение светом для каждой величиныэнергии фотонов длилось в течение 3 часов, что позволяло опустошать более90 % заряженных ловушек с данной энергией.

После прохождения каждогоэтапа облучения, в темноте проводится измерение высокочастотной C-V характеристики исследуемого образца и/или вольт-амперных характеристик методом стрессовых и измерительных уровней тока. Величина шага, равная0,3 эВ, выбиралась исходя из того, чтобы достичь полного (всеобъемлющего)фотоопустошения, при этом сохранив время проведения эксперимента в приемлемых рамках.Вследствие облучения исследуемой структуры фотонами, имеющимиэнергию, соответствующую, например, указанному выше диапазону, в образцемогут наблюдаться четыре типа электронных переходов (Рис. 2.4).На первом этапе заряд освобождается с энергетических ловушек, залегающие в запрещённой зоне диэлектрика на глубине, меньшей, чем 1,3 эВ, по отношению к дну зоны проводимости ( EC ) диэлектрического слоя; данный электронный переход показан стрелкой с номером 1 на Рис.

2.4.58Рис. 2.4.Схематичное изображение зонной диаграммы структурыp-Si/SiO2/Trapping layer/Me (Me ‒ полупрозрачный металлический электрод),показывающее четыре типа электронных переходов, происходящих в структуре при облучении образца фотонами в заданном дискретном диапазоне энергий( Emin  h  Emax ) в условиях приложенного электрическогополя ( Vg ); Emin ‒ минимальное значение энергии облучающихфотонов в заданном дискретном энергетическом диапазоне, Emax ‒максимальное значение энергии облучающих фотонов взаданном дискретном энергетическом диапазонеПосле увеличения энергии облучающих фотонов до следующего в рядуэнергий значения (до 1,6 эВ), происходит освобождение захваченного заряда словушек, залегающих в запрещённой зоне диэлектрического слоя на глубинемежду 1,3 ‒ 1,6 эВ относительно дна зоны проводимости диэлектрика.

Указанный переход отмечен на Рис. 2.4 стрелкой под номером 2. При последующемувеличении энергии облучающих фотонов происходят процессы, аналогичные59процессам 1 и 2. Затем при достижении облучающими фотонами энергии, приблизительно равной 4,25 эВ (высота потенциального барьера на границе раздела Si/SiO2), происходит переход электронов из валентной зоны полупроводника через потенциальный барьер на границе Si/SiO2 в зону проводимости диэлектрика (Trapping layer) с возможным последующим их захватом на зарядовые ловушки в диэлектрическом слое, что приводит к накоплению отрицательного заряда в диэлектрике.

Отмеченный переход показан на Рис. 2.4 стрелкойпод номером 3. Вследствие этого адекватная оценка величины изменения зарядового состояния ( Q ) структуры становится затруднительной по причиненаличия процессов как освобождения заряда, так и его накопления. При увеличении энергии облучающих фотонов до значений свыше Emax , т.е. больше ширины запрещённой зоны диэлектрического слоя (6,1 эВ для HfO2) [18, 28], имеет место быть явление фотопроводимости диэлектрического слоя (Trapping layer), заключающееся в переходе электронов из валентной зоны диэлектрика вего зону проводимости [68].

Данный электронный переход показан на Рис. 2.4стрелкой под номером 4.Далее путём оценки изменения значения напряжения плоских зон послекаждого облучающего этапа ( VFB ), вычисляемого из сдвига измеренных высокочастотных C-V характеристик, можно получить зависимости спектральнойплотности распределения заряда в диэлектрическом слое от глубины залеганияловушек. Спектральная плотность (Spectral Charge Density ‒ SCD) может бытьвычислена по следующей формуле [74, 76]:SCD  h,h       Q  h,h      qh,(2.6)где h ‒ величина энергетического шага облучающих фотонов.Таким образом, метод всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошениемпозволяет определить ряд важных параметров изучаемого образца, будь то ди-60электрические слои МДП-структуры или межзатворный диэлектрик ячейкифлэш-памяти, таких, как тип зарядовых ловушек в диэлектрическом слое(электронные или дырочные), их плостность, глубина залегания, что в своюочередь характеризует такие параметры, как надёжность и стабильность характеристик исследуемого образца.2.3.Методсильнополевойинжекционноймодификациитонкихдиэлектрических пленок МДП-структурВажной задачей современной микро- и наноэлектроники является создание полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и других изделий,изготавливаемых на основе МДП-структур, с возможностью корректировкипараметров как в процессе, так и после их изготовления.