Євтух Валерій Анатолійович Процеси транспорту, захоплен­ня і емісії заряду в наноструктурованому діелектрику структур метал-діелектрик-кремній

Краткое описание

Євтух Валерій Анатолійович, молодший науковий співробітник відділу функціональних матеріалів і струк­тур Інституту фізики напівпровідників імені В. Є. Лаш- карьова НАН України: «Процеси транспорту, захоплен­ня і емісії заряду в наноструктурованому діелектрику структур метал-діелектрик-кремній» (01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків). Спецрада Д 26.001.31 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
ЄВТУХ ВАЛЕРІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ
УДК 538.935, 53.097, 53.082.7
ДИСЕРТАЦІЯ
ПРОЦЕСИ ТРАНСПОРТУ, ЗАХОПЛЕННЯ І ЕМІСІЇ ЗАРЯДУ В
НАНОСТРУКТУРОВАНОМУ ДІЕЛЕКТРИКУ СТРУКТУР МЕТАЛДІЕЛЕКТРИК-КРЕМНІЙ
01.04.10  фізика напівпровідників і діелектриків
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
_______________ В.А. Євтух
Науковий керівник доктор фізико-математичних наук,
професор О.М. Назаров
Київ  2019

ЗМІСТ
Перелік умовних позначень 14
Вступ 15
Розділ 1. Фізичні принципи роботи елементів пам’яті на базі МДН
структур з нанорозмірими та наноструктурованими діелектриками.
(Огляд)
24
1.1. Фізика роботи флеш пам'яті 24
1.2. Фізика механізмів запису/стирання заряду 27
1.2.1. Механізм тунелювання Фаулера-Нордгейма 27
1.2.2. Підсилене тунелювання через полі-оксид 28
1.2.3. Інжекція гарячих електронів з каналу транзистора 30
1.2.4. Інжекція заряду з витоку 31
1.3. Фізичні та технологічні труднощі NVM Flash 32
1.4. Новітні пристрої пам'яті 33
1.5. Нанокристалічна енергонезалежна пам'ять 34
1.5.1. Нові фізичні принципи роботи NCM 36
1.5.2. Дослідження фізичних явищ в структурах нанокристалічної
пам’яті
40
1.5.3. Час зберігання заряду NCM. Механізми розрядки 46
1.6. Одноелектронна нанокристалічна пам’ять 48
1.7. Висновки до розділу 1 49
Розділ 2. Експериментальна установка та експериментальні методики 51
2.1. Експериментальна установка для дослідження процесів транспорту,
захоплення та емісії зарядів
52
2.2. Експериментальні методики 54
2.3. Експериментальні методи електрофізичних досліджень приладів
нанокристалічної пам’яті
57
2.3.1 Метод послідовних наближень 58
2.3.2. Експериментальні методи дослідження приладів 60
11
нанокристалічної пам’яті
2.3.2.1 Метод формування вікна пам’яті 60
2.3.2.2. Метод динаміки накопичення та стирання заряду 63
2.3.2.3. Метод дослідження зберігання накопиченого заряду в
нанокластерах
64
2.4. Висновки до розділу 2 66
Розділ 3. Фізика процесів зарядового транспорту в структурах пам’яті
з одним шаром нанокластерів
68
3.1. Експериментальні зразки елементів пам’яті 68
3.2. Процеси формування вікна пам’яті 70
3.2.1 Дослідження витривалості вікна пам’яті 76
3.3. Особливості динаміки накопичення та стирання заряду в елементах
нанокристалічної пам’яті
78
3.3.1. Динаміка накопичення та стирання заряду при біполярному і
уніполярному програмуванні
84
3.4. Дослідження зберігання накопиченого заряду в нанокластерах 86
3.4.1. Еволюція вікна пам’яті 91
3.4.2. Моделювання процесів стікання заряду в структурах
нанокристалічної пам’яті
97
3.5. Висновки до розділу 3 100
Розділ 4. Фізика процесів зарядового транспорту в структурах пам’яті
з двома шарами нанокластерів
104
4.1. Експериментальні зразки пам’яті з двома шарами нанокластерів в
оксиді
104
4.2. Особливості формування вікна пам’яті в структурах з двома
шарами нанокластерів
106
4.2.1 Дослідження витривалості вікна пам’яті 111
4.3. Дослідження динаміки накопичення та стирання заряду в
структурах з двома шарами нанокластерів
113
12
4.4. Дослідження зберігання накопиченого заряду в нанокластерах 116
4.4.1. Еволюція вікна пам’яті при стіканні заряду 117
4.5. Висновки до розділу 4 123
Розділ 5. Нанокомпозитні плівки з нанокристалами кремнію та
металів як середовище для накопичення та зберігання заряду
125
5.1. Особливості виготовлення експериментальних зразків 125
5.2. Електропрповідність плівок SiOx(Si, Fe) 129
5.2.1. Плівка SiOx(Si) 129
5.2.2. Плівка SiOx(Si, Fe) 135
5.3. Імпеданс плівок SiOx(Si) та SiOx(Si, Fe) 140
5.3.1. Імпеданс SiOx(Si, Fe) відпалених в азоті при Т=1100С 141
5.3.2. Імпеданс плівок SiOx та SiOx(Fe) вихідних та відпалених на
повітрі
145
5.4. Накопичення заряду в плівках SiOx(Si) та SiOx(Si, Fe) 147
5.5. Висновки до Розділу 5 149
Висновки 151
Список використаних джерел 153
Додаток А. Апаратне забезпечення системи збору даних 169
А.1. Блок утримувача зразка 169
А.2. Високошвидкісний високочастотний (1 МГц) вимірювач ємності 169
А.3. Буфер – перемикач 173
А.4. Програмований блок живлення Atten PPS3203 для керованого з
компютера живлення нагрівача утримувача зразків
175
А.5. Модуль термокомпенсації і перетворення сигналу термопари 175
А.6. Блок збору даних 176
А.7. Персональний компьютер. Програмне забезпечення 177
Додаток Б. Інтерфейс користувача програми для виконання
експерименту

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Вперше продемонстровано можливість реалізації уніполярного
програмування приладів нанокристалічної пам’яті, яке включає в себе
захоплення електронів на пастки заряду навколо кремнієвого нанокристаліту з
наступною емісією заряду з нанокластерів під час збільшення електричного
поля у діелектрику. Ефект пов’язаний виключно з малими розмірами
нанокристала і значним локальним підсиленням електричного поля на ньому.
2. Показано, що у структурах з шаром кремнієвих нанокристалітів у
діелектрику однорідно локалізується позитивний заряд, який можна розглядати
як фіксований заряд. Крім того, прикладання до затвору позитивної напруги
призводить до інжекції електронів з підкладки у діелектрик, які локалізуються в
пастках заряду біля нанокластерів, що інтегрально перекомпенсовує вихідний
позитивний заряд у діелектрику.
3. Було показано, що в структурах з одним шаром нанокластерів процес
зберігання заряду не може бути описаний суперпозицією незалежних процесів
стікання заряду, а складається з взаємозалежних процесів; було запропоновано
3-стадійну модель стікання заряду, яка базується на існуванні в діелектрику
зарядів обох знаків і присутності взаємозалежних процесів стікання заряду в
затворний електрод і кремнієву підкладку.
4. Встановлено, що двошаровий нанокристалічнмий плаваючий затвор з
більшими розмірами нанокластерів у внутрішньому шарі ефективно забезпечує
блокування накопиченого заряду від стікання, що пов’язане з кулонівською
блокадою і розмірним квантовим ефектом - збільшенням ефективної
забороненої зони у кремнієвих нанокластерів малих розмірів порівняно з
ефективною забороненою зоною у кремнієвих нанокластерів із збільшеними
розмірами.
5. Визначено енергетичні характеристики структур нанокристалічної
пам’яті з одним і двома шарами нанокристалів та побудовані енергетичні зонні
діаграми. Показано, що пастки електронів, які локалізовані на межі поділу
151
SiOX/нк-Si біля малих нанокластерів (3 нм) мають енергетичне залягання 0,20
еВ нижче дна зони провідності кремнієвої підкладки, тоді як пастки електронів
локалізованих біля великих нанокластерів (5 нм) мають енергетичне залягання
0,49 еВ.
6. Розроблені методи діагностики МДН структур енергонезалежної
пам’яті, які дозволяють визначати механізм зарядового транспорту, динамічні,
релаксаційні та енергетичні характеристики приладів.
7. Розроблено модульне комп’ютеризоване обладнання для швидкісних
ємнісних вимірювань МДН приладів енергонезалежної пам’яті.
8. Вперше виявлено від’ємну ємність в структурах з плівкою SiOx(Si, Fe)
та показано, що імпеданс має індуктивний характер до частоти  1 МГц, що
дозволяє запропонувати досліджену структуру в якості плівкової індуктивності
при створенні мікроелектронного генератора частоти за допомогою КМОН
технології.
9. Виявлено чіткий гістерезис С-V характеристик як у випадку плівок
SiOx(Si), так і у випадку плівок SiOx(Si, Fe), що свідчить про накопичення та
стирання заряду з нанокристалів. Більша величина вікна пам’яті МДН структур
з плівками SiOx(Si, Fe) обумовлена особливостями енергетичної зонної
діаграми та більшою густиною доступних станів у випадку Fe нанокластерів.