Диссертация (1091051), страница 13
Текст из файла (страница 13)
С изменением заряда меняется и значениепорогового напряжения. Например, при эффекте накопления избыточныхосновных носителей заряда пороговое напряжение увеличивается, а при эффектенакоплении избыточных неосновных носителей заряда пороговое напряжениеуменьшается. Даже в том случае, когда на плавающем затворе отсутствуетнапряжение, в туннельном оксиде присутствует электрическое поле.
Переносзаряда происходит постоянно. Рассмотрим емкость плавающего затвора вколичественном отношенииснижения порогового напряжения. Потеряявляется причиной[86,108,109,127].Различают следующие механизмы растекания/увеличения заряда:1.Потеря заряда, связанная с внешними излучениями (Intrinsic ChargeLoss) [126].2.Растекание заряда, связанное с дефектами оксида (Charge Loss Due toOxide Defect) [126].3.Растекание заряда, связанное с контаминацией (Charge Loss Due toContamination) [127].4.Утечка заряда через ONO (Charge Loss through ONO) [128].5.Утечка заряда, вызванная генерацией из ловушек заряда (Charge LossDue to Charge Detrapping) [129].6.Утечка заряда, связанная с циклическим повреждением оксида(Charge Loss Due to Cycling-Induced Oxide Damage) [130].Для примера приведены модели, объясняющие потерю заряда в ячейкепамяти: туннелирование, сопровождающееся удержанием заряда (ТАТ - trap‐assisted‐tunneling), прыжковая электропроводность (HCM - hopping conductionmodel), электропроводность Пауля-Френкеля (PFM - Poole‐Frenkel mechanism).88Вероятностьтуннелированияносителейзарядавпервуюочередьэкспоненциально зависит от потенциального барьера на границе раздела.
Наличиеловушек заряда в оксиде разделяет зонную диаграмму на две части(Рисунок 2.24). Таким образом, увеличивается вероятность туннелирования впостоянном электрическом поле. Плотность тока утечки в данном случаевычисляется по формуле:,где(2.20)– напряженность электрического поля в оксиде,– параметрытуннелирования.,√где(2.21),(2.22)– энергетический барьер (4.2 эВ для Si-SiO2),(1,6x10-19 Кл),– заряд электрона– масса свободного электрона (9.1x10-31 кг),масса электрона в запрещенной зоне,- эффективная– постоянная Планка.Эффективная масса электрона в отличие от обычной массы, не определяетниинерционных,нигравитационныхсвойствчастицы.Онаявляетсякоэффициентом в уравнении движения и отражает меру взаимодействияэлектрона с кристаллической решеткой.Рисунок 2.24 – Зонная диаграмма структуры Si-SiO2-Si демонстрирующаяналичие ловушки заряда [109]89Прыжковаяэлектропроводность–механизмскачковтермическивозбужденных электронов в оксиде из одного изолированного состояния в другое(Рисунок 2.25) [80].
Определяется по формуле:(2.23)Рисунок 2.25 – Перенос заряда по средствам HCM в оксиде [86]Электропроводность Пауля-Френкеля – электрическое поле усиливаетизлучение захваченных электронов из центров захвата в зону проводимостиоксида (рисунок 2.26) [86]. Выражается формулой:(2.24)Рисунок 2.26 - Перенос заряда по средствам PFМ в оксиде [86]2.4.2 Механизм генерации ловушек зарядаГенерация ловушек в оксиде связана с туннелированием дырок обратно ккатоду.
Выделяют несколько основных процессов образования ловушек заряда.Один из таких процессов представлен на рисунке 2.27.90Энергия в оксидеEnergy in the oxideЭлектрическоеполеElectric fieldИнжектируемыеэлектронныInjected electronsГенерацияловушекTrap generationВысвобождениеэнергии от анодаEnergy release atanodeГенерация дырокHole generationДругие механизмыOther mechanismРисунок 2.27 –Образование ловушек заряда [131,132]Образование ловушек заряда, в зависимости от применяемых механизмовзаписи/стирания, сужает окно циклов работы памяти (Рисунок 2.28).Рисунок 2.28 – Сужение окна числа циклов записи/стирания [80]Из анализа высокочастотных вольт-фарадных характеристик, возможно,определить величину эффективного заряда, захваченного в структуре, иплотность ловушек на границах раздела. В результате электроформовкипроисходит как сдвиг вольт-фарадных кривых (что свидетельствует об изменениинапряжения плоских зон), так и растягивание характеристик (что указывает наизменение величины плотности поверхностных состояний).Процесс электроформовки состоит в том, что под действием электрическихполей в пленке оксида создается локальная негомогенная область – каналпроводимости.
Данный процесс является обратимым (при обратной полярностиприкладываемого напряжения структура возвращается в диэлектрическое91состояние). Модификация величины эффективного заряда dQSS складывается изизменения заряда поверхностных состояний dQit и изменения заряда в окисле dQf.dQf+ dQit = dQSS = CDdVFB ,(2.25)где VFB – напряжение плоских зон, определяется как напряжение, прикотором поверхностный потенциал принимает значение, равное нулю:VFB = ФMS – dQf/CD – dQit/CD ,(2.26)где ФMS – разность работы выхода металл-полупроводник, CD – удельнаяемкость диэлектрика.Сдвиг напряжения плоских зон относительно идеальной характеристики.dVFB = -dQf/CD – dQit/CD(2.27)В общем случае эффективное число ловушек на единице площадиповерхности рассчитывается по формуле:Nf = dQss/eФизическийПодразумевается,механизмчто(2.28)созданияловушекобразованиюловушекявляетсятеоретическим.способствуетпроцессвзаимодействия электронов и дырок [86,109,131].
До сих пор роль электроннодырочного механизма в процессе образования ловушек заряда остается неясной.2.4.3 Межзонный туннельный токТуннельный оксид в процессе стирания подвергается воздействию высокогоэлектрическогополявсочетанииссильнымтуннельнымтоком.Высокоэнергетическое туннелирование электронов через анод вызывает ударнуюионизацию, приводящую к появлению высокого электрического поля. Высокоенапряжение на истоковом переходе вызывает повреждение горячими носителямизаряда и появление межзонного тока. Даже если ток через одну ячейку будетравен 10 нА, то общий ток может достигать 5 мА [133]. Для уменьшения данныхэффектов применяют имплантацию фосфора для углубления и выравниванияистокового перехода. Но данный подход ограничивает масштабирование ячеекпамяти и определяет лимит длины канала в ячейке.
В ряде случаев, межзонный92туннельный ток, может спровоцировать лавинный пробой в переходах стока иистока [78].Когда высокое напряжение прикладывается между истоковым переходом иуправляющим затвором, формируется глубоко обедненная область в зонеперекрытия затвора и истока. Туннелирование электронов валентной зоны в зонупроводимостиформируетэлектронно-дырочныепары.Потокэлектроновдвижется к истоку, а поток дырок к подложке. Поток дырок набирает энергию засчет изменения высокого электрического поля созданного напряжением истокподложка. В то время как большинство дырок движется к подложке, часть из них,обладающих достаточной энергией для преодоления барьера, инжектируются взатвор, а часть застревает в оксиде [133]. В содержащей мышьяк N+-области и Рподложкеобразуетсярезкийp-n-переход,приводящийкактивноймеждуэлектродной проводимости и деградации оксида.
Ток лавинного пробояразрушительно сказывается на работе ячейки памяти [86,109]. На рисунке 2.29для приведена ВАХ межзонного туннельного тока ячейки памяти HIMOS стопологической нормой 0,35 мкм.а)б)Рисунок 2.29 – а) Зависимость межзонного туннельного тока от напряжения назатворе, б) схематичное представление межзонного туннельного тока [109]При использовании неравномерно распределенной схемы стирания ((FN)туннелирование электронов из плавающего затвора в область (N+) стока или93истока) на границе раздела оксида неминуемо возникает межфазный туннельныйток [109].2.5 Выводы по главеОсновныетенденцииразвитияполупроводниковойпромышленностисвидетельствуют об увеличении площади пластин, плотности упаковки ЭКБ иувеличении числа технологических этапов производства.
Внедрение новыхтехнологий и уменьшение топологических норм привело к росту числа отказовсвязанных, в первую очередь, с глубинными физическими процессами наатомарных уровнях. Дефекты такого рода характеризуются сложностью поиска иопределения физических механизмов отказов. Анализ дефектов различного рода вЭКБ современных ЗУ на основе хранения заряда показал, что существенноевлияние на надежность изделий микроэлектроники оказывают различныефизические процессы.Определение физических механизмов, приводящих к отказу устройства,выходит на первый план в процессе увеличения процента выхода годных изделий ипоказателей надежности, как целиком ИМС, так и отдельно flash-памяти.Увеличение степени дефектности влияет на себестоимость изделия.
Выходгодных изделий зависит от топологической нормы и числа производственныхэтапов. Так, уменьшение выхода годных на 1% на 300 мм пластине приводит кувеличению издержек на 5 млн. $ в год.Своевременное выявление причин и физических механизмов, приведших котказам ИС, позволяет существенно повысить процент выхода годных изделий,уменьшить издержки при производстве, улучшить технологический процесспроизводства и уменьшить нагрузку на окружающую среду. Согласно даннымряда аналитических агентств ежегодный рост затрат на анализ отказов в мире до2014 года составил в среднем 8,7%, а прогнозируемый рост до 2019 года составит14,5 %.
Таким образом, актуальность проведения процедур по выявлению отказоврастет вслед за продолжающейся миниатюризацией ИС.Наоснованиианализаосновныхтехнико-экономическихпоказателей94полупроводниковых технологий и существующих методов анализа отказов ИМСвыявлены два направления в физике отказов:1.Физико-статистическоемоделированиеипрогнозирование(количественное);2.Анализ отказов и их идентификация (качественное).Для подтверждения правильности физико-статистических моделей в целяхувеличения надежности функционирования ПЗУ на основе хранения зарядаразрабатываются методики анализа отказов, позволяющие качественно выявлятьдефекты и определять электрофизические механизмы, приводящие к сбоям вработе памяти.Миниатюризацияячеекпамяти,уменьшениеколичествахранимого заряда и другие факторы способствуют разработке и применению ванализеотказовновыхметодовпозволяющихопределятьэлектрофизические параметры дефектов в работе flash-памяти.сверхмалые95ГЛАВА 3.
МЕТОДЫ СЗМ В ИССЛЕДОВАНИИЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МДП-СТРУКТУРПроведенныйанализсуществующихэлементовхраненияэнергонезависимой памяти (ЭНП) и присущих им механизмов отказа показалнеобходимость развития методов их локализации и диагностики. Как правило,причинами возникновения отказов в ЭНП являются сбои при протеканиифизических процессов в МДП-структуре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
