Диссертация (1025135), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

3.15.Типичные сдвиги напряжений Vs    (1), Vm    (2), Vm    (3) и Vmg (4)в зависимости от величины инжектированного заряда.MДП-структуры имели толщину подзатворного диэлектрика30 нм и площадь затвора 10-2 см2108Выводы к Главе 31. Установлено, что отрицательный заряд, накапливающийся в плёнкеФСС в структурах с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС как впроцессе сильнополевой туннельной инжекции электронов, так и при электронном облучении может использоваться для модификации МДП-приборов.Показано, что применение сильнополевой инжекции электронов для модификации зарядового состояния МДП-структур предпочтительнее использованияэлектронного облучения, поскольку появляется возможность индивидуальнойкоррекции характеристик каждого прибора и при определенных режимах сильнополевой инжекции можно значительно снизить сопутствующие деградационные процессы.2.

Показано, что применение двухслойного подзатворного диэлектрикаSiO2-ФСС позволяет повысить среднюю величину заряда, инжектированного вдиэлектрик до его пробоя и уменьшить количество дефектных структур с малым значением заряда, инжектированного до пробоя. Этот эффект объясняетсязалечиванием слабых мест в подзатворном диэлектрике за счет накопления внём отрицательного заряда и, как следствие, повышения барьера и уменьшениявеличины локальных инжекционных токов.3. Установлено, что отрицательный заряд, накапливающийся в плёнкеФСС в структурах с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС впроцессе сильнополевой туннельной инжекции электронов, может использоваться для модификации МДП-приборов.

Показано, что применение сильнополевой инжекции электронов для модификации зарядового состояния МДПструктур дает возможность проводить индивидуальную коррекцию характеристик каждого прибора и при определенных режимах сильнополевой инжекцииможно значительно снизить сопутствующие деградационные процессы.4.

Установлено, что как плотность накапливаемого отрицательного заряда, так и плотность его термостабильной компоненты возрастает с увеличением длительности легирования SiO2 фосфором, приводящей к увеличению тол-109щины пленки ФСС, при этом сечения захвата электронных ловушек остаютсянеизменными.5. Показано, что применение двухслойного подзатворного диэлектрикаSiO2-ФСС позволяет повысить среднюю величину заряда, инжектированного вдиэлектрик до его пробоя и уменьшить количество дефектных структур с малым значением заряда, инжектированного до пробоя.

Этот эффект объясняетсязалечиванием слабых мест в подзатворном диэлектрике за счет накопления внём отрицательного заряда и, как следствие, повышения барьера и уменьшениявеличины локальных инжекционных токов.6. Предложена модель изменения зарядового состояния МДП-структур,находящихся в режиме сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик постоянным током, учитывающая действие ионизирующих облучений. Показано,что ионизационные процессы, протекающие в сильных электрических полях вдиэлектрических пленках МДП-структур, можно использовать для регистрации радиационных излучений, а для повышения точности регистрации измерение ионизационного тока необходимо проводить при нескольких амплитудахимпульса постоянного тока, как меньших, так и больших амплитуды ионизационного тока.

С использованием предложенной модели определены значенияплотности ионизационного тока в диэлектрической пленке МДП-структур,находящихся в режиме сильнополевой инжекции при облучении -частицами.110Глава 4. Исследование зарядовых явления в тонких диэлектрическихпленках элементов энергонезависимой памяти4.1. Исходные электронные ловушки в диэлектрике HfO2, полученном посредством атомно-слоевого осажденияВ последние годы диэлектрики на основе диоксида гафния (HfO2) становятся главными претендентами на замещение традиционных диэлектриков наоснове SiO2 в широком спектре приборов наноэлектроники, начиная от транзисторов в микросхемах высокой степени интеграции и заканчивая DRAM[117, 118] и ячейками энергонезависимой памяти [119, 120].

Кроме того, благодаря сегнетоэлектрическим свойствам как легированного [121, 122], так и беспримесного [123] HfO2, можно наблюдать его применение в некоторых нестандартных областях, таких, например, как энергонезависимая память и транзисторы, обладающие высокой крутизной характеристик [124, 125]. Однако, вопрос надёжности диэлектриков, связанный с захватом в них электронов, можетстать «очевидным стопором»: ранее уже было показано, что положительносмещённая температурная нестабильность (PBTI) ограничивает дальнейшееуменьшение размеров подзатворного диэлектрика в транзисторах, имеющихструктуру метал-HfO2-Si [126].

В ячейках флэш-памяти захват электронов наловушки в межзатворном диэлектрике приводит к ухудшению их свойств[127]. Более того, при использовании сегнетоэлектрических свойств диэлектриков захват электронов на ловушки в слое HfO2 будет экранировать электрическое поле на поверхности канала в полупроводнике (МОП-транзистор), темсамым ухудшая функциональность прибора. В частности, ожидается, что инжекция электронов и последующий их захват на ловушки станет проблемойвследствие высокой коэрцитивной силы, которой обладают сегнетоэлектрикина основе HfO2 [127]. Всё вышеупомянутое говорит о важности должного ана-111лиза распределения электронных ловушек в HfO2 и их идентификации, чтобыустранить или ограничить их пагубное влияние на надёжность.Несмотря на многочисленные работы, посвящённые электронным ловушкам в HfO2, всё ещё остаётся недостаточно исследованным вопрос их атомногопроисхождения и распределения энергетических уровней.

Широко распространённая гипотеза связывает электронные ловушки в HfO2 c дефектами кислородных вакансий [127] на основе энергетических уровней, найденных в диапазоне энергий 1,2-1,8 эВ ниже дна зоны проводимости HfO2. Однако, вследствиетого, что теоретические вычисления говорят о том, что кислородные вакансиив HfO2 также представляют из себя дырочные ловушки, это предположение неможет объяснить отсутствие явления захвата дырок из валентной зоны в high-kслое [127]: предполагается, что захват дырок должен интенсивно происходитьв слое HfO2 толщиной от 5 до 100 нм. Скорее всего, обильный захват дырок вплёнках HfO2, полученных с использованием реагента Hf(NO3)4, может бытьсвязан с присутствием N-связанных дефектов, выявленных посредством электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), что говорит о захвате электронов,связанном с наличием примесей. С тех пор, многочисленные экспериментыЭПР по исследованию слоёв HfO2 промышленного уровня не смогли выявитькакого-либо сигнала, доступного для измерения, который говорил бы о наличии кислородных вакансий или связанных с реагентом примесей.

Вышеуказанные факты делают необходимым поиск каких-либо других приближений, описывающих ловушки.В данной параграфе проводился анализ электронных ловушек в HfO2 посредством использования метода всеобъемлющей спектроскопии фотоопустошением (EPDS, ВСФ) для того, чтобы выявить энергетическое распределениезахваченных электронов почти по всей ширине запрещённой зоны оксида. Дляслоёв HfO2, сделанных с использованием трёх методов атомно-слоевого осаждения (АСО) промышленного уровня, были найдены как минимум две разныекомпоненты спектра электронных ловушек, чувствительных к химическимпроцессам осаждения (наращивания) и к последующей термической обработке.112На основе этих наблюдений мы можем заключить, что эти ловушки связаны свнутренними дефектами в HfO2, которые чувствительны к состоянию диэлектрика (аморфное или кристаллическое).

Однако, при повторном вычисленииэнергетических уровней, относящихся к кислородным вакансиям в аморфномHfO2, было найдено, что эта модель учитывает далеко не все факторы, отражающие тот факт, что существуют альтернативные атомные конфигурации, служащие природой появления электронных ловушек.Образцы были подготовлены посредством метода атомно-слоевого осаждения плёнки HfO2 толщиной 19‒20 нм на поверхность термически выращенного на кремниевой ((100)Si) подложке слоя SiO2 толщиной 5 или 7,5 нм. Дляподготовкиобразцовиспользовалисьтрипромышленныхметода(способа): A – используя HfCl4 + H2O при 300 oC; B – используя тетракис(диметиламид)гафния (TDMA-Hf) и H2O при 300 oC; C – бесхлорный промышленный способ атомно-слоевого осаждения.

Для сравнения процесс A былтакже использован для создания слоёв Hf0.8Al0.2Ox 19 нм толщины путём замещения реагента HfCl4 на реагент Al(CH3)3. Кроме того, были проанализированыобразцы, которые после осаждения плёнок отжигались в течение 15 минут ватмосфере азота при температуре 600, 800 или 1000 oC. Напыление полупрозрачных электродов (стек, состоящий из 13 нм Au или 10 нм TiN / 2 нм Si)площадью 1 мм2 на оксидный стек являлось последним этапом для полученияМДП-конденсаторов.Метод ВСФ позволяет достичь насыщения процессу фотоопустошенияэлектронных состояний в оксиде при данной энергии фотона h и вычислитьсоответствующее изменение зарядового состояния посредством измерения величины сдвига вольт-фарадной характеристики образца (C-V) или вольтамперных характеристик.

Насыщение процесса освобождения с ловушек означает, что все носители заряда, доступные для фотовозбуждения при данной величине энергии фотона h высвобождены, т.е. нет электронов, оставшихся наэнергетических состояниях, лежащих на глубине E t  h . Начиная с низкогозначения энергии h и затем увеличивая его на небольшое значение h113(шаг), насыщение освобождения будет приводить к практически полному удалению носителей заряда с ловушек в соответствующем интервале энергийh; h  h . Затем, выполняя ВСФ и каждый раз увеличивая энергию облучающих фотонов, становится возможным найти распределение электронныхсостояний как функцию E t по всей запрещённой зоне диэлектрика.

Характеристики

Список файлов диссертации