научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МДП-СТРУКТУР С ПЛЕНКАМИ НИТРИДА КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННЫМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МДП-СТРУКТУР С ПЛЕНКАМИ НИТРИДА КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННЫМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 4, с. 250-255

ПРИБОРЫ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.315.592:543.06

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МДП-СТРУКТУР С ПЛЕНКАМИ НИТРИДА КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННЫМИ

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ © 2014 г. А. А. Ковалевский, А. С. Строгова, Н. С. Строгова, Н. В. Бабушкина

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники E-mail: A_kovalevsky@mail.ru Поступила в редакцию 28.06.2013 г.

Рассмотрена одна из основных проблем электроники МДП-приборов повышение стабильности их характеристик. Это решение проблемы обеспечено снижением плотности поверхностных состояний за счет использования в качестве туннельного и запирающего слоя пленок нитрида кремния, легированных редкоземельными элементами, а в качестве запоминающей среды нанокластеров твердого раствора SiGe и Ge. Проведены CV-исследования электрофизических параметров МДП-структур Me—Si3N4 (редкоземельные элементы)—нанокластеры Ge(SiGe)—Si3N4 (редкоземельные элементы)—^^ в которых использованы в качестве легирующих компонентов редкоземельные элементы с различным атомным радиусом. Установлена закономерность влияния величины радиуса редкоземельных элементов на электрофизические характеристики МДП-структур.

DOI: 10.7868/S0544126914040048

ВВЕДЕНИЕ

В основе современных твердотельных запоминающих устройств лежат полевые транзисторы, в которых в качестве области хранения заряда используется так называемый "плавающий" затвор из поликристаллического кремния, окруженный со всех сторон оксидом, или слоем нитрида кремния, содержащего глубокие уровни-ловушки [1]. Принцип работы таких устройств основан на ин-жекции горячих электронов или туннелировании Фаулера—Нордгейма через тонкий подзатворный оксид из области канала для записи информации и обратном туннелировании для ее стирания. Наиболее широко распространенная организация памяти, сочетающая побайтовое считывание и "секторное" стирание информации, получила название флэш-памяти (flash-memory). Несмотря на коммерческий успех, возник ряд ограничений в развитии этой технологии, обусловленный в первую очередь свойствами подзатворного диэлектрика, который, с одной стороны, должен обеспечивать быстрый и эффективный перенос заряда при низких рабочих напряжениях и, с другой стороны, обеспечивать хорошую изоляцию области заряда и долговременное его хранение. Последнее требование осложняется деградацией оксида [2], появлением объемных или интерфейсных ловушек заряда или каналов протекания токов утечки. Все эти недостатки стандартных запоминающих элементов ограничивают дальнейшее увеличение степени интеграции и заставляют исследователей искать другие варианты, напри-

мер, могут использоваться другие подзатворные диэлектрики.

В середине 90-х годов в качестве альтернативного подхода было предложено использование нанокластеров (НК) т.е. квантовых точек (КТ) [3]. Прежде всего, это позволяет сильно упростить технологию, поскольку НК формируются в слое 8Ю2 простого МОП-транзистора [4, 5]. В отличие от стандартных устройств с плавающим затвором, в этом случае реализуется принцип распределенного заряда (в массиве КТ), который обеспечивает более надежное и защищенное хранение информации и позволяет применять более тонкие подзатворные диэлектрические слои, уменьшая рабочее напряжение и увеличивая быстродействие [1, 5]. За счет этого, а также эффекта куло-новской блокады туннелирования [6] практически снимается проблема деградации оксида и токов утечки, имеющая место в случае сплошных кремниевых или нитридных слоев. Кроме того, использование НК делает запоминающие элементы более компактными, в том числе за счет перехода к использованию одиночных квантовых точек для хранения заряда [7]. Размерное квантование в НК приводит к проявлению такого эффекта, как дискретное резонансное туннелирование [8] (альтернатива туннелированию Фаулера-Нордгейма), которое само по себе привлекательно в смысле разработки новых принципов хранения информации и архитектуры запоминающих устройств.

Основной недостаток запоминающих устройств на основе КТ — плохая емкостная связь между за-

твором и областью распределенного в массиве КТ заряда, которая может полностью нивелировать снижение рабочего напряжения за счет уменьшения толщины оксида и отвечает за такой важный параметр устройства, как коэффициент связи. Пока не ясно, смогут ли такие устройства конкурировать со стандартными устройствами флэш-памяти, которые уверенно завоевывают рынок и постоянно совершенствуются [1].

Для терабитных схем памяти в настоящее время осуществляется интенсивная разработка электронных полупроводниковых программируемых запоминающих устройств (ЭППЗУ), основанных на проводящих НК, в диэлектрике с высокой диэлектрической проницаемостью >10 [9—14]. В качестве запоминающей среды в таких ЭППЗУ выступают трехмерные полупроводниковые (81, Ое, Б^Ое^) или металлические кластеры наноразме-ров (1—10 нм), а качестве туннельного диэлектрика — диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (е > 10). Принципиальным преимуществом ЭППЗУ с туннельными диэлектриками с высокой диэлектрической проницаемостью на НК перед ЭППЗУ с плавающим затвором является то, что нанокластеры изолированы друг от друга в направлении, параллельном границе раздела кремний/диэлектрик. Благодаря этому дефекты (поры) в туннельном диэлектрике не приводят к стеканию всего заряда, накопленного в НК. В этом случае, важным представляется определить тип туннельного и запирающего диэлектрика при выбранном размере (плотности) НК на поверхности туннельного диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, обуславливающий большой гистерезис С- К-характе-ристик (АК ~ 1—1.5 В).

Цель настоящей работы — определить влияние атомного радиуса редкоземельного элемента при легировании пленок нитрида кремния на вольт-фарадные характеристики МДП-структур с ультратонкими (2—4 нм) пленками нитрида кремния, легированными РЗЭ газоразрядным методом с е > 11 в качестве туннельного и запирающего слоя, а в качестве запоминающей среды трехмерные (3D) нанокластеры Ое, Б1Ое высотой 5—12 нм и латеральными размерами 12—20 нм, полученные LPCVD-методом в результате разложения гидридов кремния и германия.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследований электрофизических свойств МДП-структур использовались МДП-структуры с пленками нитрида кремния (Б^^), легированными редкоземельными элементами (РЗЭ) газоразрядным методом. В качестве источников РЗЭ использовались электроды из диспрозия ^у), гадолиния (Оё), иттрия (У), лантана (La) и европия (Ей), а

в качестве газоносителя водород. Скорость потока водорода через разрядник поддерживалась на уровне 60 дм3 мин-1, при этом расстояние между электродами было 4 мм, а ток разряда 10 мА. Пленки Б13М4 получали LPCVD-методом в процессе нитрования моносилана гидразином [15] с одновременным легированием, благодаря сочленению газоразрядной камеры с ростовой камерой. Исследовались МДП-структуры с ультратонкими (2-4 нм) пленками нитрида кремния, легированными РЗЭ газоразрядным методом с е > 11 в качестве туннельного и запирающего слоя, а в качестве запоминающей среды трехмерные (3D) нанокластеры Ое, Б1Ое высотой 5-12 нм и латеральными размерами 12-20 нм, полученные LPCVD-методом в результате разложения гидридов кремния и германия [16-21]. Проведено исследование влияния типа РЗЭ в пленке Б13М4 как туннельным, так и запирающим диэлектриком на электрофизические свойства МДП-структур. Исследовались МДП-структуры с пленками Б13М4 без РЗЭ и легированными Dy, Оё, У, La, и Ей.

Зарядовые свойства МДП-структур исследовались методом ВЧ (1 МГц) вольт-фарадных (С- V) характеристик. Для создания МДП-структур на поверхность пленок нитрида кремния, легированных РЗЭ, термическим испарением через металлическую маску наносился индиевый контакт площадью 1.6 х 10-3 см2. Следует отметить, что в МДП-структурах с наноразмерными (<10 нм) пленками диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью формула для емкости плоского конденсатора не может быть использована для расчета толщины диэлектрических пленок. Это связано с их относительно высокой проводимостью за счет туннельного тока и квантовыми эффектами, которые необходимо учитывать при таких толщинах. Для характеристики МДП-структур вводится понятие эквивалентной (электрической) толщины диэлектрической пленки. Эквивалентная толщина рассчитывается по величине максимальной емкости МДП-структуры в режиме аккумуляции в предположении, что диэлектрическая проницаемость пленки такая же, как для оксида кремния (е = 3.9), и с учетом квантовых эффектов в нано-размерных пленках. В данной работе оценка эквивалентной толщины пленок Б13М4 (РЗЭ) и весь последующий расчет проводился по методике, предложенной в [22] с учетом квантовых поправок. Данная методика предполагает построение идеальной С-К-кривой и ее совмещение с рассчитываемой С-К-кривой.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Типичные С-К-характеристики МДП-струк-тур, полученных при использовании различных

.О 0.15

е

м

^ 0.10 о

0.05 0

(а)

........../ ' г

~ 1.5 В

II //

0

V, в

0.35

е

13

о О

£ о ч С

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0

V, в

(г)

1

ь

1 1 1 1 1 1

0 V, в

0

V, в

0 V, в

е

15

о о

м %

о

13

о о

£

о ч

с

0.20

0.15

0.10

0.05

0

V, в

Рис. 1. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур Ме-813К4 (РЗЭ)-НК 0е(810е)-813К4 (РЗЭ)-и81: (а) - Dy; (б) - Оа; (в) - У; (г) - без РЗЭ; (д) - La; (е) - Ей.

6

2

4

2

4

0

0

1

2

3

4

0

0

по содержанию РЗЭ пленок 813М4 в качестве туннельного и запирающего диэлектрика показаны на рис. 1(а-е). На рис. 1(а) приведена C—V-харак-теристика МДП-структуры с пленками нитрида кремния, легированными диспрозием, - атомный радиус - 0.177 нм. Данная структура при раз-

мере нанокластеров как германия, так и твердого раствора 8Юе - высота 6-12 нм, латеральные размеры 12 х 20 нм характеризуется плотностью емкости Сох /Б = 0.21 мкФ/см2, гистерезисом ионного типа величиной Д V ~ 1.5 В и плотностью тока утечки ] ~ 1 х 10-6 А/см2 через туннельный ди-

(а)

Рис. 2. НК твердого рас

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком