Диссертация (1025135), страница 21

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

Текст из файла (страница 21)

Из результатов EPDS, показанных на Рис. 4.8, можно сделатьвывод, что как для образцов, отожжённых в атмосфере N2 в течение 5 минутпри 800 оC, так и для образцов, по отношению к которым отжиг не применялся,фотоопустошение электронов имеет место быть начиная с энергии 2,8 эВ. Очевидно, что этот энергетический диапазон шириной 1,5 эВ (начиная с 2,8 эВ)133отличается от соответствующего при проведении фотоопустошения с ловушек,локализованных в межзатворном диэлектрике Hf0.8Al0.2Ox (Рис. 4.7).Исходя из данного исследования, можно заключить, что основная частьинжектируемых электронов захватывается на гибридный плавающий затвор, вто время как число электронов, захватываемых на ловушки в межзатворномдиэлектрике, незначительно. Обобщая, можно сказать, что энергетическое распределение электронов в стеке Si/TiNx/HFG/Hf0.8Al0.2Ox существенно болееглубокое по сравнению с энергетическим распределением электронов в образцах без HFG, а центр распределения имеет значение примерно 3 эВ (Рис.

4.8,b). Необходимо также отметить, что энергия начала фотоопустошения, равная~2,8 эВ, совпадает с высотой потенциального барьера на границе TiNx/HfO2,найденной в предыдущих работах при проведении экспериментов IPE [127], изчего можно сделать вывод, что электроны выбрасываются из слоя TiNx.Схожие энергетические распределения электронов наблюдаются послеэлектронной инжекции, выполненной при больших амплитудах импульсанапряжения «записи» Vg (”write”) (не показаны на рисунке), из чего следует,что TiNx может накапливать заряд при высоких электрических полях. Такимобразом, используя Si/TiNx в качестве плавающего затвора, можно улучшитьхарактеристики ячеек памяти.Для дальнейших исследований по нахождению потенциальных преимуществ концепции гибридного плавающего затвора был проведён анализ захватаэлектронов в стеках с Si/Ru гибридным плавающим затвором, которые, какожидалось, покажут более глубокое энергетическое распределение электроновпо сравнению со стеками с TiNx вследствие большей функции работы выходарутения (~5,3 эВ и ~4,7 эВ, соответственно) [73, 127].

На Рис. 4.9 представленграфик изменений зарядового состояния, вызванных облучением фотонами (a),а также полученное из него распределение спектральной плотности заряда (b) вячейке памяти, содержащей Si/Ru гибридный плавающий затвор и подвергнутой отжигу при 900 oС в атмосфере N2. Из графика можно сделать вывод, чтовеличина энергии, при которой начинается фотоопустошение электронных ло-134вушек, близка к той, которая наблюдается для образцов с Si/TiNx гибриднымплавающим затвором, т.е.

~2,8 эВ.Рис. 4.8.Вызванные воздействием света изменения зарядового состояния (a) иполученные из них распределения спектральной плотности заряда (b) как дляобразцов p-Si/SiO2/Si/TiNx/Hf0.8Al0.2Ox/TiNx, подвергавшихся отжигу ватмосфере N2 при температуре 800 oC в течение 5 минут (●), так и длянеотожженных образцов (▼). Рисунок иллюстрирует зонную диаграмму ячейки изучаемого образца и схематично показывает процессфотоопустошения электронов с электронных ловушек в слое TiNxгибридного плавающего затвора во время проведения эксперимента EPDS135Средняя энергетическая глубина захваченных электронов также остаётсяблизкой к энергетической глубине электронов в случае Si/TiNx гибридногоплавающего затвора, т.е.

~3 эВ. Отсюда следует, что использование Ru в качестве материала с большим значением функции работы выхода в гибридномплавающем затворе не даёт каких-либо явных преимуществ по сравнению сиспользованием TiNx. Для того, чтобы добиться лучших характеристик при использовании стека Si/Ru в качестве гибридного плавающего затвора, необходимо увеличивать эффективное значение функции работы выхода металла.Рис. 4.9.Изменения зарядового состояния, вызванные облучением фотонами (a) иполученные из них распределения спектральной плотности заряда (b) дляобразцов со структурой Si/SiO2/Si/Ru/Hf0.8Al0.2Ox/Al2O3/ Hf0.8Al0.2Ox/TiNx, подвергнутых отжигу в атмосфере N2 при температуре 900 oC1364.4.

Моделирование стекания заряда в элементах энергонезависимойпамяти на основе МДП-структурОдним из главных параметров, характеризующих надёжность энергонезависимой памяти с плавающим затвором (флэш-память), является время хранения заряда на плавающем затворе, или, иными словами, время хранения информации [2]. Для современной флэш-памяти среднее время хранения зарядана плавающем затворе при комнатной температуре составляет 10 лет и более[1‒3]. Отсюда следует, что проведение эксперимента по определению временихранения заряда в обычных условиях без использования каких-либо «ускоряющих» стекание заряда факторов – задача, требующая значительных временных затрат, что неприемлемо в условиях современной экономики.

Для того,чтобы «ускорить» процесс стекания заряда с плавающего затвора, используютразличные «ускоряющие» методики, такие как воздействие на флэш-памятьповышенных температур, электрических полей и др. [2] Затем при помощи техили иных методик находят корреляцию данных, полученных при «ускоряющих» воздействиях, с данными, полученными при отсутствии таких воздействий.Данный параграф посвящен моделированию стекания информационногозаряда в элементах энергонезависимой памяти на основе МДП-структур с плавающим затвором.В качестве «ускоряющей» методики было выбрано воздействие на элемент флэш-памяти повышенных температур (20 oС, 125 oС, 250 oС, 350 oС).Выбор таких температур, помимо их основной, «ускоряющей» функции, обусловлен работой некоторой современной энергонезависимой памяти в условиях экстремально высоких температур (например, память на основе SiC).

Обычно, воздействие повышенных температур на энергонезависимую память применяется при известной величине энергии активации ( Ea ), т.е. энергии, при которой начинается эмиссия заряда с плавающего затвора. Базируясь на ранее137полученных данных [73], выбранный нами диапазон энергий активации0,1 ÷ 3,1 эВ с шагом 0,3 эВ.В результате, путём моделирования, были получены зависимостивременихранениязаряданаплавающемзатвореотэнергииактивации (Рис. 4.10).Время хранения заряда tR определялось по следующей формуле [2]:tR ln  2  E exp   a kT,(4.3)где  – частотный фактор, k – постоянная Больцмана, T – температура.Рис.

4.10.Зависимости времени хранения заряда на плавающем затворе флэш-памяти отэнергии активации при воздействии различных температур:1 – 350 ⁰С, 2 – 250 ⁰С, 3 – 125 ⁰С, 4 – 20 ⁰СИз приведённых на Рис. 4.10 зависимостей можно сделать вывод, что увеличение температуры приводит к существенному «ускорению» процессов сте-138кания заряда с плавающего затвора, что позволяет значительно сократить временные затраты на проведение эксперимента по оценке возможности сохранения заряда на плавающем затворе элемента энергонезависимой флэш-памяти.Концентрация электронов, покинувших электронные ловушки в инжекционно модифицированном диэлектрическом слое, будет равна:t n   n0i 1  exp() ,E()i in(4.4)где n0i ‒ плотность i-х электронных ловушек, ( Ei ) ‒ постоянная времени i-хэлектронных ловушек.Для ловушек из каждой составляющей энергетического спектра при релаксации с ростом температуры можно считать время захвата на ловушку много больше времени выноса (пролета) [73].

Так как, концентрация ловушек сэнергией Еi много меньше общей концентрации захваченных на ловушки электронов [73, 127], то внутреннее электрическое поле будет практически полностью определяться более глубокими ловушками. Таким образом, реализуетсяслучай слабого перезахвата и постоянного времени пролета.На каждой из температурных ступеней временная зависимость изменениянапряжения плоских зон, определяющаяся концентрацией электронов, освободившихся из ловушек, описывается следующими выражениями:t VFB  V0i 1  exp() ,()Ei V0i qn0i   d ox  X PG  ,o i  w i1 exp(Ei),kTi(4.5)(4.6)(4.7)где k – постоянная Больцмана, Ti – температура на i-м участке временной зависимости температурного воздействия, прикладываемого к МДП-структуре .После проведения отжига низкоэнергетические составляющие спектра ловушек будут разряжены.139Тогда временная зависимость изменения напряжения плоских зон, связанная со стеканием заряда термостабильной компоненты при рабочей температуре Тр, будет описываться следующим выражением:t VFB   V0i 1  exp() ,E()i i mn(4.8)где m ‒ номер составляющей энергетического спектра, соответствующий температуре отжига.Зная значение допустимой концентрации электронов, покинувших ловушки при максимальной рабочей температуре, с использованием выражения (4.8)можно оценить время, за которое уменьшение термостабильной компонентызаряда не превысит допустимых пределов.Таким образом, было проведено моделирование, позволившее получитьзависимости времени хранения заряда на плавающем затворе от энергии активации при различных температурах.

Показано, что увеличение температурыпозволяет значительно «ускорить» процесс стекания заряда с плавающего затвора энергонезависимого элемента флэш-памяти и, тем самым, существенносократить время на проведение эксперимента по определению возможностисохранения заряда на плавающем затворе флэш-памяти.Выводы к Главе 41. Найдено два вида глубоких электронных ловушек в плёнке HfO2, выращенной при помощи атомно-слоевого осаждения (ALD), энергетически расположенных на уровнях Et  2,0 эВ и Et  3,0 эВ ниже дна зоны проводимости.2. Произведено сравнение между энергетическим распределением захваченных электронов в слоях HfO2, полученных посредством использования различных реагентов или подвергнутых отжигу, которое (сравнение) даёт возможность заключить, что центры захвата заряда имеют исходное происхождение.

Однако, традиционно используемая гипотеза кислородных вакансий не140может объяснить зарядовое поведение в a- или m-HfO2, что говорит о необходимости применения альтернативных моделей, описывающих дефекты.3. Исследование МДП-структур на основе диэлектрических пленок SiO2Hf0.8Al0.2Ox показало, что энергетическое распределение электронов, захватываемых в Hf0.8Al0.2Ox, лежит в диапазоне 1,5 ÷ 3,5 эВ и, следовательно, на основе таких структур могут создаваться элементы флэш-памяти.4.

Анализ энергетического распределения электронов в Si/TiNx и Si/Ruгибридных плавающих затворах в элементах памяти с межзатворным диэлектриком на основе алюмината гафния позволил определить, что оба типа образцов имеют близкую энергию фотоионизации ~2,8 эВ.

Эта энергия сопоставимас величиной энергетического барьера между уровнем Ферми метала в гибридномплавающемзатворе(TiNxилиRu)идномзоныпроводимости Hf0.8Al0.2Ox.5. На основе проведенного моделирования получены зависимости времени хранения заряда на плавающем затворе от энергии активации при различных температурах. Показано, что увеличение температуры позволяет значительно «ускорить» процесс стекания заряда с плавающего затвора энергонезависимого элемента флэш-памяти и, тем самым, существенно сократить времяна проведение эксперимента по определению возможности сохранения зарядана плавающем затворе флэш-памяти.141Основные выводы и заключение1. Предложен новый метод стрессовых и измерительных уровней токадляисследованияимодификациитонкихдиэлектрическихпленокМДП-структур. Отличительной особенностью этого метода является учет процессов заряда емкости МДП-структуры и захвата заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур в инжекционном режиме, что дает возможность существенно повысить метрологические характеристики метода и уменьшить погрешности, возникающие при определении характеристик МДП-структур.

Характеристики

Список файлов диссертации