Диссертация (1025135), страница 19
Текст из файла (страница 19)
процесса C (Рис. 4.5), в которых имела место бытькак генерация глубоких электронных ловушек, которые практически отсутствовали в исходных плёнках, так и дополнительный захват дырок, приводящий к накоплению положительного заряда. Это наталкивает на гипотезу, что122высокотемпературный (1000 oC) отжиг образцов со слоем HfO2 в бескислородной среде может провоцировать дефекты, связанные с кислородными вакансиями, что делает необходимым вновь обратиться к модели кислородных вакансий (O vacancy model).Т.к.
исходные образцы являются частично кристаллизованными (HfO2,тех. процесс A) или аморфными (Hf0.8Al0.2Ox, тех. процесс A), при том, что значительная часть кристаллизации (моноклинная структура решётки m-) быладостигнута после отжига, необходимо обсудить энергетические уровни кислородных вакансий как для m-HfO2, так и для аморфного (a-) оксида гафния.
Теоретическое изучение кислородных вакансий в образцах m-HfO2 показало, что вних имеет место быть глубокая дырочная ловушка в случае +1 и +2 зарядовыхсостояний, тогда как ожидается, что захват электронов нейтральными вакансиями произойдёт на энергетическом уровне, расположенном на ≈1 эВ ниже зоныпроводимости m-HfO2. В a-HfO2 расположение захватывающего заряд энергетического уровня менее достоверно вследствие серьёзной недооценки запрещённой зоны [127], что приводит к необходимости вновь обратиться к этойпроблеме путём проведения дополнительной симуляции с самого начала (abinitio) a-HfO2 структуры связей и кислородных вакансий в a-HfO2.АморфнаяструктураHfO2былаполученапосредствомпакетаLAMMPS [128] и обычным методом обратного оплавления [129], а также припомощи двух различных силовых полей: относительно простой пары потенциалов, охарактеризованной и силового поля модифицированного зарядовогоравновесия COMB.
Кубическая структура, включающая 96 элементов, первоначально была приведена в состояние равновесия при температуре 300 К идавлении 1 атм. Температура была линейно повышена до 6000 К при постоянном давлении, приведена в состояние равновесия на 500 пс, а затем снижена до0 К за 8 нс при низком коэффициенте охлаждения, равном 0,75 К·пс-1. Термостат Берендсена (the Berendsen thermostat) использовался для контроля температуры в течение симуляции.
Размеры супер-ячейки (ячейки, содержащейбольшое количество элементов) и положения атомов в дальнейшем были оп-123тимизированы при помощи пакетов DFT и CP2K нелокального функционального пакета PBE0-TC-LRC с радиусом отсечки, настроенным на 2 Å. Код CP2Kиспользует Гауссовский базовый набор, смешанный с дополнительным плосковолновым базовым набором. В данной работе был использован double-ζГауссовский базовый набор с поляризационными функциями для гафния икислорода. Плосковолновая отсечка (plane-wave cutoff) была установлена равной 6530 эВ.
Для того, чтобы уменьшить вычислительную стоимость нелокальных функциональных вычислений, был использован дополнительный метод плотности матрицы (auxiliary density matrix method (ADMM)). Все геометрические оптимизации были выполнены посредством оптимизатора (алгоритма) Бройдена-Флетчера-Гольдфарба-Шанно для того, чтобы снизить воздействие сил на атомы до 37 пН (2,3·10-2 эВ/Å).Полученная структура имела плотность 9,6 г/см3, что хорошо согласуетсяс экспериментальными данными, а ширина запрещённой зоны получиласьблизкой к 6 эВ (в сравнении с экспериментально полученным значением, равным 5,9 эВ для a-HfO2 или для a-HfAlOx). Около 56 % атомов Hf связано с 6атомами кислорода, 38 % связаны с 7 и 6 % с 5 атомами кислорода, соответственно. С другой стороны, 72% атомов кислорода связаны с 3 атомами гафния, 22 % с 4 и 6 % с 2 атомами гафния.
Эти результаты хорошо согласуются сдругими теоретическими исследованиями и, что важно, не зависят от используемых (использованных) силовых полей.Двадцать пять кислородных вакансий были созданы в находящейся в состоянии полного равновесия структуре a-HfO2 посредством удаления случайных атомов кислорода. Структурное равновесие и электронные структуры были вычислены для положительно, отрицательно и нейтрально заряженных состояний кислородных вакансий. Энергии формирования вакансий, построенные на Рис. 4.6 как функция от электронного химического потенциала такжепоказывают диапазон распределений при различных зарядовых состояниях вакансий.
Эти распределения хорошо согласуются с [127]. Можно увидеть, чтоуровень зарядового перехода +/0 расположен далеко от верхнего уровня ва-124лентной зоны. Это означает, что формирование положительно заряженной вакансии посредством захвата дырок из валентной зоны a-HfO2 потребовало бымногофононного процесса. Тем не менее, это положительно заряженное состояние может быть сформировано в непосредственной близости от электрода изасчитываться за понижение барьера на границе раздела, обусловленное удалением кислорода из слоя HfO2 металлическим гафнием (Hf). С другой стороны,уровень зарядового перехода 0/- залегает на слишком малой глубине для того,чтобы объяснить энергетические состояния на глубине 2 и 3 эВ в распределении захваченных электронов.
Таким образом, даже при условии введения эффекта беспорядка (effect of disorder), захват заряда на кислородные вакансии нев полной мере объясняет экспериментальные наблюдения, что говорит о необходимости поиска альтернативных моделей.Основное экспериментальное заключение данного исследования говорит означительном доминировании акцепторных состояний во всех изученных образцах, имеющих слой HfO2. Это преобладание глубоко залегающих акцепторных состояний соответствует описанному в литературе [130], посвящённойпроводимости p-типа O-дефектных слоёв HfO2, хотя в данном исследованииисходные плёнки, выращенные при помощи АСО, являются стехиометрическими в рамках точности измерений. Принимая во внимание то, что акцепторные состояния, залегающие на глубине 2 и 3 эВ, найденные в HfO2 не могутбыть связаны с наличием остатков реагентов (C, Cl), скорее всего они связаныс исходными дефектами в оксидном слое.
Следовательно, можно предположить наличие двух точек захвата заряда. Во-первых, некоторая форма кислородного дефекта, отличная от часто используемой изолированной кислороднойвакансии, может давать прирост в захвате электронов.Кластеризация вакансий [130] или их взаимодействий с кислородом, какнедавно было выяснено в случае a-SiO2 [130], позволяет получить правдоподобные модели, заслуживающие дальнейшего теоретического и экспериментального анализа. Кластеризация вакансий [130] или их взаимодействий с кислородом, как недавно было выяснено в случае a-SiO2 [130], позволяет получить125правдоподобные модели, заслуживающие дальнейшего теоретического и экспериментального анализа.Рис. 4.6.Вычисленные энергии формирования различных зарядовыхсостояний одной кислородной вакансии как функциихимического потенциала аморфной плёнки HfO2Во-вторых, самозахват электронов в оксидной плёнке, характеризуемыйгеометрией напряжённых связей, может также обеспечивать существованиеглубоких акцепторных состояний в аморфных состояниях или внутри гранулыприграничной области в случае поликристаллического HfO2.
Значительные вариации от одной точки захвата к другой точке захвата, ожидаемые в этом случае, могут объяснить относительно широкое энергетическое распределение за-126хваченных электронов, также как и упомянутую неудачу исследований методом ЭПР по определению соответствующих парамагнитных состояний.4.2.Исследованиеэнергетическогораспределенияэлектроноввэлементах флэш памяти на основе МДП-структур с диэлектрическойпленкой SiO2-Hf0.8Al0.2OxВ ячейке традиционной NAND флэш-памяти IPD диэлектрик (Interpoly Dielectric) и управляющий затвор «обёрнуты» вокруг плавающего затвора для того, чтобы обеспечить коэффициент связи выше 60 %.
Однако, такое «обёртывание» требует достаточного пространства между плавающими затворами соседних ячеек флэш-памяти для того, чтобы уместить толщину управляющегозатвора и двойную толщину IPD в один питч. Когда размеры ячейки приближаются к таким, что управляющий затвор не может быть более «обёрнут» вокруг плавающего затвора вследствие слишком узкого питча (величина, равнаяполовине от расстояния между соседними ячейками флэш-памяти) [53], топроисходит некоторое уменьшение коэффициента связи, что приводит к ухудшению характеристик программирования и стеканию части заряда через межзатворный диэлектрик. Для того, чтобы перейти к меньшим в сравнении с первым поколением размерам флэш-памяти, при формировании планарной структуры плавающего затвора необходимо использовать стек high-k диэлектриков вкачестве межзатворного изолятора (изолятор между плавающим и управляющим затвором) [53].
Такая структура может быть реализована за счёт использования гибридного плавающего затвора со структурой поликремний/метал(poly-Si/metal), что позволит уменьшить его толщину, снизить влияние соседних ячеек флэш-памяти друг на друга, увеличить ширину окна программирования (см. параграф 4.3) [73]. Однако, при всём при этом, высокая плотностьэлектронных ловушек в high-k межзатворном диэлектрике остаётся важнойпроблемой в вопросе функционирования флэш-памяти, т.к.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
