Диссертация (1025135), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Важен тотфакт, что в отличие от случая измерения фототока, наблюдение за зарядомпозволяет определять его знак, тем самым разделяя переход возбуждённогоэлектрона из валентной зоны диэлектрика на пустой дефектный уровень и переход электрона из запрещённой зоны диэлектрика в зону проводимости.Оставшаяся задача состоит в разделении донорных и акцепторных состояний,соответствующих положительному (0/+ или +/0) или отрицательному (0/– или–/0) переходам, соответственно.
Разделение осуществляется посредством сопоставления плотности состояний, полученной из эксперимента ВСФ, с изначальным зарядовым состоянием диэлектрического стека, которое может варьироваться при помощи инжекции электронов или дырок из кремниевой подложки (туннелирование через SiO2) или при помощи генерации электроннодырочных пар в диэлектрике при воздействии ультрафиолетового облучениячерез полупрозрачный металлический электрод.Измерения посредством метода ВСФ выполнялись в условиях комнатнойтемпературы в спектральном диапазоне 1,25 h 6,5 эВ с шагом по энергииh , равным 0,2 или 0,3 эВ (при постоянном разрешении длины волны в10 нм), при постоянном напряжении +2 В, приложенном к металлическомуэлектроду.
Время облучения для каждой энергии фотона из дискретного энергетического диапазона варьировалось от 1 до 3 часов, что гарантировало удаление как минимум 90% доступного для освобождения заряда при данном значении h , что подтверждалось измерением C-V кривых (на частоте от 0,2 до1 МГц), а также измерением вольт-амперных характеристик.
После проведенияанализа энергетического распределения заряда в исходных (без инжекции)МДП-конденсаторах, в них осуществлялась инжекция электронов или дырокпосредством приложения к металлическому электроду записывающего114(“write”) импульса напряжения длительностью 20 мс. Амплитуда импульсапошагово увеличивалась на 1 или 2 В для того, чтобы достичь желаемой плотности захваченного заряда. После проведения заряжения МДП-конденсаторывыдерживались в темноте на протяжении 48 часов для того, чтобы достигнутьзавершения процесса термического опустошения с ловушек, а затем облучались светом, начиная с самого низкого значения энергии фотонов, равного1,25 эВ.
После каждого облучения изменение зарядового состояния диэлектрического стека контролировалось посредством C-V кривых или при помощиволь-амперных характеристик. Соответствующая плотность заряда Qstack вычислялась из сдвига напряжения плоских зон, при этом предполагалось равномерное распределение заряда по всему слою HfO2 [127]. Наконец, спектральнаяплотность заряда находилась посредством нормализации плотности перезаряженных центров к ширине шага h и анализировалась как функция h .На Рис. 4.1 приведено сравнение спектральной плотности заряда (b, d) иизменения зарядового состояния (a, c), вызванного облучением, исходных образцов и образцов, в которые была проведена инжекция заряда (напряжение назатворе Vg 15 В), имеющих плёнки HfO2 и Hf0.8Al0.2Ox (a/b и c/d соответственно) толщиной 19 нм, полученные при помощи технологического процессаA, основанного на использовании реагента HfCl4.
Можно ясно различить триспектральных диапазона, отличающихся друг от друга переходами электронов:первый, при h 4 эВ: возбуждённые электроны покидают занятые ими энергетические уровни в запрещённой зоне диэлектрика, вызывая небольшое положительное заряжение в случае исходного (без инжекции) HfO2 или удалениеэлектронов, захваченных в слое HfO2 или Hf0.8Al0.2Ox в результате проведённойинжекции. Здесь необходимо отметить два важных аспекта: 1) в образцах, длякоторых было проведено инжектирование, все захваченные электроны могутбыть освобождены в результате воздействия облучения светом в спектральномдиапазоне h 4 эВ; 2) спектр заряда в образцах с исходным слоем HfO2 совпадает со спектром образцов, по отношению к которым была применена всеобъемлющая спектроскопия. Вышеуказанные факты говорят о том, что поло-115жительное заряжение слоя HfO2 также является следствием освобождения захваченных электронов с акцепторных энергетических состояний, частично заполненных электронами вследствие применения технологии атомно-слоевогоосаждения (АСО).Затем, когда значение h становится больше 4 эВ, процесс заряжения изменяет свой знак, тем самым показывая факт накопления отрицательного заряда.
Тот же самый эффект уже наблюдался ранее в SiO2/Y2O3 и SiO2/Al2O3 стеках [127]. Этот эффект связан с фотоинжекцией электронов из кремниевойподложки в SiO2 и их последующим захватом в HfO2 [переход 2 на Рис. 4.1 (а)].Обнаруженное при помощи EPDS (ВСФ) насыщение отрицательным зарядомсоответствует равенству между захватом фотоинжектированных из кремниевой подложки электронов и освобождением захваченных электронов путём переходов первого типа (type 1). Наконец, когда значение h достигает порогавнутренней фотопроводимости HfO2 (самое низкое значение пороговой энергии составляет Eg 5,6 эВ в случае моноклинной фазы [127]), генерация электронно-дырочных пар в HfO2 приводит к аннигиляции захваченных электронов.
Т.к. конечное зарядовое состояние диэлектрического стека после его облучения фотонами с энергией h 5,6 эВ неотличимо от зарядового состояниянейтрального стека, то можно заключить, что имеет место быть либо необнаруживаемая плотность дырочных ловушек, либо отсутствие доступных энергетических состояний в слое HfO2 или Hf0.8Al0.2Ox.Т.к. переход электронов с энергетических состояний в запрещённой зонеHfO2 в зону проводимости HfO2 представляет из себя основной механизм освобождения заряда в диапазоне h 4 эВ, то он наиболее полно отражаетначальное состояние электронов. Из зависимости спектральной плотности заряда, показанной на Рис.
4.1, очевидно, что существует как минимум две компоненты плотности захваченных электронов: первая – поверхностная( 2 эВ Et 3 эВ ), найденная как в слое HfO2, так и в слое Hf0.8Al0.2Ox; вторая –более глубокая ( 3 эВ Et 3,5 эВ ), найденная в HfO2.116Рис. 4.1.Вызванные облучением изменения зарядового состояния (a, b) исоответствующие распределения спектральной плотности заряда дляобразцов с 19 нм плёнкой HfO2 (a, c) или плёнкой Hf0.8Al0.2Ox (b, d).Приведены результаты как для исходных образцов (), так и для образцов, вкоторые посредством туннелирования из полупроводниковой подложки былиинжектированы электроны (□, D). Встроенная в рисунок иллюстрациясхематично показывают электронные переходы, происходящие во время проведения эксперимента по всеобъемлющей спектроскопиифотоопустошением: фотоионизация ловушек, обладающих энергией Et (1);электронная фотоинжекция из кремния, сопровождаемая захватом заряда наловушки в HfO2 (2); генерация электронно-дырочных пар в HfO2 (3)Тем не менее, имеющий высокое разрешение ( h 0,2 эВ) спектр, показанный на Рис.
4.2, отражает тот факт, что электроны, захваченные на глубокиеловушки, могут быть также обнаружены и в слое Hf0.8Al0.2Ox в том случае, еслик исследуемому образцу приложить импульс напряжения большей амплитуды,117но при этом плотность захваченных электронов будет значительно ниже, чем вслучае HfO2.Принимая во внимание то, что коэффициент туннелирования электроновэкспоненциально зависит от напряжения Vg , что приводит к значительной разнице в плотности электронов, инжектированных в HfO2 за время заряжающегоимпульса, можно заключить, что поверхностные и глубоко залегающие ловушки скорее всего имеют значительно отличающиеся сечения захвата.Кроме того, сравнение спектральной плотности заряда в плёнке, полученной с помощью АСО, выращенной с использованием других реагентов (технологические процессы A‒C) (спектральная плотность заряда показана наРис.
4.3) (графики a‒c соответственно) показывает, что в случае бесхлорныхобразцов B (Cl-free) имеет место быть существенно меньшая плотность глубоких электронных ловушек, а для образцов C поверхностные ловушки становятся доминирующими. Исходя из исследования поверхностных ловушек как вслучае безуглеродных плёнок HfO2 (технологический процесс A), так и в случае бесхлорных слоёв, выращенных при помощи металлорганических реагентов (технологические процессы B и C) можно заключить, что эти дефекты неимеют отношения к примесям и вполне вероятно являются исходными.Для более детального изучения природы происхождения электронных ловушек в HfO2 было проанализировано влияние отжига на образцы, имеющиеразличное энергетическое распределение захваченных электронов в исходных(as-deposited) плёнках.
Рис. 4.4 и 4.5 демонстрируют спектральную плотностьзаряда,полученнуюдляобразцовAиC,соответственно,после15 минутного отжига в атмосфере азота при определённой температуре.В образце A основные глубокие ловушки исчезают вследствие отжига притемпературе 600 и 800 oC (b, c), но вновь имеют место быть при температуре,равной 1000 oC (d). Необходимо отметить, что плотность накопленного положительного заряда в диэлектрическом стеке при генерации электроннодырочных пар в HfO2 ( h 5,6 эВ) значительно возрастает после отжига всравнении с исходными плёнками.118Рис. 4.2.Вызванный облучением сдвиг напряжения плоских зон (ΔVFB) исоответствующие распределения спектральной плотности заряда дляобразцов с 19 нм плёнкой HfO2 (слева) и плёнкой Hf0.8Al0.2Ox (справа).Приведены результаты как для исходных образцов (), так и для образцов, вкоторые посредством туннелирования из полупроводниковой подложкипри помощи импульсов напряжения заданной амплитудыбыли инжектированы электроны (□, D, ▽)119Рис.
4.3.Спектральная плотность заряда, измеренная на образцах Si/SiO2/HfO2/Au, гдеслой HfO2 получен тремя различными способами A, B, C120Рис. 4.4.Спектральная плотность заряда, измеренная на образцах Si/SiO2/HfO2, со слоемHfO2, полученный способом A, и подвергнутых отжигу в атмосфере N2 приопределённой температуре121Рис. 4.5.Вызванные облучением изменения зарядового состояния (a, b) исоответствующие распределения спектральной плотности заряда (c, d) для образцов Si/SiO2/HfO2, в которых слой HfO2 получен посредствомиспользования атомно-слоевого осаждения (тех. процесс C), подвергнутых отжигу в течение 15 минут в атмосфере N2 при температуре 1000 oC.Результаты измерений приведены для образцов, инжекция электронов вкоторые проводилась при различных амплитудах инжектирующего импульсаТе же закономерности даже более отчётливо наблюдаются в образцах, полученных с помощью тех.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
