Caracterització a escala nanomètrica de la degradació I. Ruptura dielèctrica del SiO2 en dispositius MOS mitjançant CAFM

La progressiva reducció del gruix de l'òxid de porta (SiO2) en dispositius MOS sense el corresponent escalat en tensions, ha donat lloc a l'aparició de mecanismes de fallada (ruptura forta, HBD; ruptura suau, SBD; ruptura progressiva, PBD; o corrents de fuites, SILC) que en limiten la seva...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Porti i Pujal, Marc
Tipo de recurso: tesis doctoral
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2003
País:España
Institución:CBUC, CESCA
Repositorio:TDR. Tesis Doctorales en Red
OAI Identifier:oai:www.tdx.cat:10803/5338
Acceso en línea:http://www.tdx.cat/TDX-1113103-152958
http://hdl.handle.net/10803/5338
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Fiabilitat del SiO2
Dispositiu MOS
Ruptura dielèctrica
Tecnologies
53
Descripción
Sumario:La progressiva reducció del gruix de l'òxid de porta (SiO2) en dispositius MOS sense el corresponent escalat en tensions, ha donat lloc a l'aparició de mecanismes de fallada (ruptura forta, HBD; ruptura suau, SBD; ruptura progressiva, PBD; o corrents de fuites, SILC) que en limiten la seva fiabilitat. Alguns d'aquests mecanismes, menys severs que la ruptura forta (SBD, PBD i SILC), han plantejat nous interrogants a l'hora d'establir la relació que hi ha entre la ruptura (BD) de l'òxid i la fallada del dispositiu o circuit del qual forma part. Per aquest motiu, a fi de determinar el grau de sensibilitat dels circuits a la ruptura dielèctrica, cal estudiar amb més profunditat els factors que en controlen la seva severitat. En aquest sentit, els tests estàndards de caracterització elèctrica no representen de manera gaire acurada les condicions reals d'estrés dels dispositius MOS. Treballs recents, en canvi, indiquen que l'estrés limitat en corrent (CLS), sí permet simular millor les condicions reals d'operació.<br/>Actualment és àmpliament acceptat que la ruptura de l'òxid és (i) un fenomen extremadament local que es desencadena en àrees de l'ordre de 10-13-10-12cm2 i (ii) la conseqüència d'un procés de degradació en el qual l'estructura de l'òxid es modifica progressivament i que s'ha associat a la generació de trampes durant l'estrés elèctric. El caràcter extremadament local d'aquests fenòmens fa que sigui necessària una anàlisi a la mateixa escala on tenen lloc: a escala nanomètrica. Amb aquesta finalitat, en aquesta tesi s'ha analitzat la fenomenologia de pre- i post-ruptura en capes primes de SiO2 (2.9-5.9nm) amb C-AFM (Conductive Atomic Force Microscope). L'elevada resolució lateral d'aquesta tècnica (~10nm) ha permès caracteritzar la degradació i la ruptura dielèctrica (així com l'efecte del límit de corrent) d'òxids de porta a escala nanomètrica. <br/>Durant l'etapa de degradació, s'han observat canvis sobtats i transitoris en la conductivitat de l'òxid, atribuïts a l'atrapament/ desatrapament de càrregues elementals en els defectes generats durant l'estrés elèctric. Aquesta fenomenologia s'ha relacionat amb el soroll de pre-ruptura observat en dispositius de grandària microelectrònica. El soroll de pre-ruptura s'ha registrat en estressos a tensió constant (CVS) en forma de RTS (Random Telegraph Signal). Una anàlisi temporal i freqüencial demostra que els resultats obtinguts són compatibles amb els corresponents a estructures amb elèctrode de porta. A més, amb C-AFM s'ha pogut mesurar d'una manera directa la característica I-V d'un spot de pre-ruptura i s'ha trobat que té un comportament similar a l'observat en memòries flash amb corrents de fuites anòmals. <br/>En aquesta tesi també s'ha analitzat la ruptura de l'òxid, fent especial èmfasi en els efectes del límit de corrent en l'esdeveniment BD. Òxids de porta sense elèctrode metàl.lic s'han estressat amb la punta del microscopi amb i sense límit de corrent fins a desencadenar la ruptura. Després de l'esdeveniment BD, s'han registrat corrents més elevats en la zona afectada i, en alguns casos, també s'han observat canvis en les imatges topogràfiques. Aquests canvis morfològics s'han relacionat amb la càrrega elèctrica negativa present a l'òxid després de la ruptura (BINC), que s'ha associat amb el mal estructural induït durant l'esdeveniment BD. La quantitat de BINC s'ha estimat a partir de les alçades de les protuberàncies observades en les imatges topogràfiques obtingudes amb C-AFM i s'ha trobat que és superior en el cas d'estressos sense límit de corrent. A partir de les imatges de corrent també s'ha trobat que la ruptura, tot i desencadenar-se en àrees molt petites (de l'ordre de ~100nm2), es propaga lateralment a àrees veïnes SBD. El valor de SBD es veu fortament afectat per la severitat de la ruptura dielèctrica que, al mateix temps, depèn del corrent que flueix a través de l'òxid en el moment en el qual es desencadena l'esdeveniment BD. Quan s'apliquen CLS, SBD està limitada a un àrea de ~3.1 104nm2 mentre que, quan no hi ha límit de corrent, les àrees afectades són superiors (~1.6 105nm2). Aquests resultats doncs, demostren que el límit de corrent no permet el desenvolupament complet del canal percolatiu, deixant l'òxid en un estat metaestable que es perllonga fins que les condicions elèctriques d'estrés canvien. <br/>Finalment, també s'ha demostrat que amb C-AFM és possible localitzar i analitzar spots de ruptura induïts en dispositius microelectrònics (amb elèctrode de porta) mitjançant les tècniques de caracterització estàndard. Tots aquests resultats demostren la capacitat del C-AFM d'analitzar en detall l'efecte del límit de corrent en la ruptura dielèctrica, així com l'impacte de la ruptura en la funcionalitat del dispositiu microelectrònic.

Similares en LA Referencia