Диссертация (1025135), страница 20

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

Текст из файла (страница 20)

процессы их заряжения/разряжения могут являться причиной нестабильности ширины окна программирования/стирания информации, приводить к сокращению времени хра-127нения информации [73]. В данной работе были исследованы свойства этих ловушек и была предпринята попытка оценить влияние процессов заряжения/разряжения таких ловушек на работу флэш-памяти [127]. В процессе исследований были использованы различные методики измерений, включая традиционные C-V/I-V методы [73, 127], C-V/I-V метод быстрого импульса (fastpulse I-V/C-V), I-V/C-V метод одного параметра (single-point I-V/C-Vtechnique).Несмотря на приложенные усилия, всё ещё остаётся неясным, как отделить процессы заряжения/разряжения ловушек электронами в межзатворномhigh-k диэлектрике от процессов захвата заряда на плавающий затвор. Неясность является следствием того, что с помощью существующих методик можно измерить только общий заряд стека, который (стек) включает в себя какплавающий затвор, так и межзатворный диэлектрик.В данной параграфе представлена реализация новой методики, котораяносит название «всеобъемлющая спектроскопия фотоопустошением» (Exhaustive Photo Depopulation Spectroscopy – “EPDS”).

Эта методика даёт возможность получить энергетическое распределение захваченных электронов. Данная методика применена в работе для получения энергетического распределения электронов, захваченных на дефекты в межзатворном диэлектрике(Hf0.8Al0.2Ox) [73], в трёхслойном межзатворном стеке (Hf0.8Al0.2Ox/Al2O3/Hf0.8Al0.2Ox) [127].Были исследованы образцы, изготовленные по стандартному 300 мм технологическому процессу на кремниевой подложке с туннельным оксидом толщиной 8,5 нм или 7,5 нм, выращенным методом ISSG (in-situ steam generation)и стеком.Слои межзатворного диэлектрика были получены технологией атомнослоевого наращивания диэлектриков Hf0.8Al0.2Ox и Al2O3 при температуре300 ⁰С с использованием HfCl4, Al(CH3)3 и H2O в качестве прекурсоров. Управляющийзатворбылсформированнапылениемполупрозрачнойплёнки TiNx толщиной 10 нм при комнатной температуре.

Размер тестовых128конденсаторов составлял 1 мм x 1 мм.Электроны, захваченные на ловушки в стеке (стек, состоящий из слоёв,способных захватывать заряд), исследовались нами посредством метода EPDS,который включал в себя ряд этапов. На первом этапе путём приложения положительного постоянного напряжения амплитудой Vg («импульс программирования») к полупрозрачному управляющему затвору проводилась инжекцияэлектронов с целью заполнить ловушки в исследуемом стеке (т.е.

электронытуннелировали через туннельно-прозрачную оксидную плёнку). При инжекцииэлектронов на ловушках как на плавающем затворе, так и в изолирующем слоенакапливался отрицательный заряд. Т.к. исследуемые образцы были сформированы на кремниевой подложке p-типа, то одновременно с процессом проведенияинжекциионибылиоблученыэлектромагнитнымиволнами( h  1,42 эВ , через GaAs фильтр) для обеспечения достаточного количестваэлектронов при приложении импульса напряжения амплитудой Vg (см.Рис.

4.7). После окончания процесса инжекции электронов для завершениятермически активированного процесса высвобождения заряда с ловушек, атакже для достижения стабильного зарядового состояния, изучаемые образцывыдерживались в темноте в течение 10‒20 часов при комнатной температуре.Зарядовое состояние образцов контролировалось при помощи измеренийвольт-фарадных характеристик (C-V характеристик) на частоте 1 МГц до техпор, пока их повторяемость не достигнет точности приблизительно в 20 мВ.Затем посредством облучения исследуемых образцов монохроматическим светом выполнялась фотоионизация захваченных электронов.

При этом к управляющему затвору облучаемого образца для того, чтобы «собирать» высвобожденные электроны, было приложено постоянное напряжение Vg  0 (как правило 2 В). Для проведения эксперимента фотоионизации был выбран диапазонэнергии фотонов h  1,3  6,1 эВ . Шаг (разница в энергии предыдущего и последующего фотонов) составлял 0,3 эВ ( h  0,3 эВ ).С увеличением энергии облучающих фотонов наблюдаются три типа электронных переходов. Первый из них заключается в том, что электроны, захваченные в межзатворном диэлектрике могут быть фотоионизованы и затем вы-129свобождены из диэлектрика, а после стечь через управляющий затвор (переходобозначен цифрой 1 на Рис.

4.7). После завершения фотоионизации, т.е. припереходе к следующему значению энергии облучающих фотонов (насыщениефотоопустошения достигается через 3 часа после начала облучения), можетбыть установлено энергетическое распределение захваченных электронов.Второй тип заключается в том, что при достижении фотонами достаточнойэнергии для того, чтобы электроны могли преодолеть энергетический барьервеличиной 4,25 эВ на границе раздела Si/SiO2, происходит дрейф электроновчерез туннельно-прозрачную оксидную плёнку и затем эти электроны могутбыть захвачены в межзатворном диэлектрике или на гибридном плавающем затворе (переход обозначен цифрой 2 на Рис.

4.7).Последний, т.е. третий электронный переход, заключается в том, что придостижении фотонами энергии, большей, чем ширина запрещённой зоны межзатворного диэлектрика (5,6 эВ для HfO2), происходит переход электронов извалентной зоны межзатворного диэлектрика в зону проводимости (переходобозначен цифрой 3 на Рис. 4.7). Процесс фотоопустошения завершается аннигиляцией электронов дырками, которые образуются в валентной зоне оксидавследствие процесса фотогенерации.Полагая, что захваченные на ловушки электроны равномерно распределены по всему оксидному слою, значение изменения эффективной плотности заряда QStack на единицу площади в определённом интервале энергий облучающих фотонов может быть получено с помощью измерения значения сдвиганапряжения плоских зон на C-V характеристике с использованием следующегоуравнения:0SiO2QStack  h, h  h   2   C  VFB ,dCSiO 2 0 SiO2(4.1)где C – электрическая ёмкость диэлектрического стека, 0  8,854  1012 Ф/м –диэлектрическая проницаемость вакуума, SiO2  3,9 – относительная диэлек-трическая проницаемость плёнки диоксида кремния, dSiO2 – толщина туннель-130но-прозрачной плёнки диоксида кремния.Рис.

4.7.Изменения зарядового состояния вследствие облучения квантами света (а) иполученные из них спектральные распределения плотности заряда (b) для образцов с 19 нм диэлектриком Hf0.8Al0.2Ox. Результаты показаны как дляисходных образцов (○), так и для образцов, к которым была примененаинжекция электронов из кремниевой подложки (♦). Отрицательные значенияспектральной плотности заряда (SCD) обусловлены захватом электронов вHf0.8Al0.2Ox вследствие внутренней электронной фотоэмиссии (IPE) изкремниевой подложки. На рисунке схематично показаны переходыэлектронов при проведении эксперимента EPDS: фотоионизация ловушек сэнергией Et (1), внутренняя фотоэмиссия электронов из кремниевойподложки, сопровождаемая захватом заряда в слое Hf0.8Al0.2Ox (2), а также генерация электронно-дырочных пар в Hf0.8Al0.2Ox (3)131На Рис.

4.7 (а) показаны вызванные облучением светом переходы захваченного заряда для структуры SiO2/Hf0.8Al0.2Ox, не содержащей плавающего затвора. В качестве точки отсчёта для учёта донорных состояний при проведенииисследований взят исходный образец, т.е. образец, к которому не применяласьинжекция (○ на Рис. 4.7, а). Уход электронов с донорных состояний можетпривести к генерации положительного заряда.

Отсутствие генерации положительного заряда в изучаемых образцах (без инжекции) говорит о том, что плотность донорных состояний в слое Hf0.8Al0.2Ox не значительна. Напротив, в образцах, к которым применялась инжекция электронов (♦ на Рис. 4.7), изменение зарядового состояния QStack в слое Hf0.8Al0.2Ox, показанное на Рис. 4.7 (а),связано с высвобождением электронов. Исследование показывает тот факт, чтопри облучении происходит высвобождение захваченных электронов с ловушекв слое диэлектрика.

При энергии облучающих фотонов свыше 4 эВ ( h  4 эВ ),электроны, фотоинжектированные из кремниевой подложки, служат причинойнакопления отрицательного заряда в диэлектрическом стеке. При достиженииоблучающими фотонами энергии, превышающей порог фотопроводимостимежзатворного диэлектрика, процесс генерации электронно-дырочных пар вHf0.8Al0.2Ox высвобождает захваченный отрицательный заряд.После каждой «порции» облучения фотонами изменение зарядового состояния структуры пересчитывалось в значение спектральной плотности заряда (SCD), которое отражает плотность заряженных центров, имеющих местобыть вследствие вызванных облучением переходов заряда в исследуемом образце. Спектральная плотность заряда может быть вычислена из значенияQStack используя следующее уравнение:SCD  h,h  h  Q  h,h  h ,qh(4.2)где q  1,6  1019 Кл – элементарный заряд.

Пример полученного распределенияспектральной плотности заряда показан на Рис. 4.7. Если энергия облучающихфотонов меньше 4 эВ, то зависимость спектральной плотности заряда от энер-132гии облучающих фотонов может быть представлена через распределение энергии электронов, захваченных в слое Hf0.8Al0.2Ox. В этом энергетическом диапазоне энергия фотонов может быть напрямую связана с глубиной залеганияэлектронных ловушек Et , располагающихся ниже зоны проводимости диэлектрика так, как это показано на Рис.

4.7 (а). Изменения зарядового состояния,наблюдающиеся только для образцов, в которые был инжектирован заряд, говорят о присутствии в них акцепторных состояний, доступных для фотовозбуждения в диапазоне энергий 1,5  Et  4 эВ. Величина высвобожденного фотонами заряда в вышеуказанном диапазоне энергий соотносится с плотностьюизначально захваченных электронов так, как это показано в [73].

Захваченныйотрицательный заряд полностью высвобождается из диэлектрика в диапазонеэнергий облучающих фотонов h  3,5 эВ это говорит о том, что в этом диапазоне энергий почти все электронные ловушки становятся пустыми.4.3. Анализ энергетического распределения электронов в Si/TiNx и Si/Ruгибридных плавающих затворах в устройствах памяти с межзатворнымдиэлектриком на основе оксида гафнияКак уже было отмечено в предыдущем параграфе, применение гибридногоплавающего затвора (HFG) позволит уменьшить его толщину, снизить влияниесоседнихячеекфлэш-памятидругнадруга,атакжеувеличитьширину окна программирования.Имея распределение захваченных электронов по энергиям в межзатворномдиэлектрике Hf0.8Al0.2Ox для образцов без плавающего затвора, можно перейтик получению энергетического распределения электронов в стеках HFG/Hf0.8Al0.2Ox [73].

Характеристики

Список файлов диссертации