Estudio de inestabilidades y efectos de radiación en estructuras M.O.S. aplicación a dieléctricos nanométricos de alto K

Título

Estudio de inestabilidades y efectos de radiación en estructuras M.O.S. aplicación a dieléctricos nanométricos de alto K

Colaborador

Faigón, Adrián
Lipovetzky, José

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2018-12-10

Extensión

xvii, 489 p.

Resumen

En el presente trabajo de tesis se estudiaron las inestabilidades eléctricas y los efectos de la radiación sobre estructuras metal-óxido-semiconductor (MOS), con dieléctricos de alto κ como aislante de puerta, tanto de manera experimental como a través de simulaciones numéricas. Además, se desarrolló un modelo numérico basado en principios físicos, con el objetivo de reproducir la respuesta a dosis total de estructuras MOS expuestas a radiación ionizante. En el caso de los dieléctricos de alto κ, se estudiaron estructuras MOS con dióxido de hafnio (HfO2), alúmina (Al2O3), y un nanolaminado de ambos materiales, como aislante de puerta. En todos los casos, la capa dieléctrica fue depositada sobre un sustrato de silicio, inmediatamente después de una limpieza con HF. Los resultados obtenidos son consistentes con la captura y liberación de electrones en defectos preexistentes dentro del aislante, como consecuencia de transiciones de túnel entre los mismos y estados electrónicos en el sustrato. Para las capas de HfO2, se observa un proceso de captura rápida que se enlentece con el tiempo de estrés, precedido de otro proceso de captura con un tiempo característico menor, denominado captura inicial. La captura rápida está asociada con trampas de electrones dentro del HfO2, posiblemente debido a vacancias de oxígeno en el material. La captura inicial podría deberse a trampas presentes en una delgada capa interfacial subestequiométrica de SiOx. Los resultados obtenidos en capas de Al2O3 amorfa (a-Al2O3) muestran la presencia de dos tipos de procesos de captura diferentes. Algunas trampas poseen tiempos similares de captura y liberación de electrones y son responsables del fenómeno de histéresis, mientras que otras se manifiestan para tiempos de estrés mucho mayores y presentan una captura mucho más estable, lo que tiene efectos sobre la respuesta a largo plazo de memorias no volátiles de captura de carga.Un estudio comparativo de la exposición a diferentes tipos de radiación mostró que para rayos γ e iones oxígeno el principal efecto de dosis total es la captura de huecos generados por radiación dentro del óxido, mientras que al irradiar con protones los resultados son consistentes con la captura de ambos tipos de portadores (electrones y huecos), y la posible generación de estados de interfaz. Mediciones en tiempo real de la respuesta a radiación γ mostraron la superposición de la captura y liberación de carga como consecuencia de los cambios en la tensión aplicada y la captura de huecos generados por radiación. A partir de un modelo físico es posible distinguir ambas contribuciones. Se desarrolló un modelo numérico basado en principios físicos para reproducir la respuesta en tiempo real de dosímetros MOS expuestos a radiación ionizante. El modelo tiene en cuenta los diferentes procesos involucrados, tales como la generación de pares electrón-hueco, la recombinación inicial, el transporte de electrones y huecos dentro del óxido, la captura de huecos en defectos y su neutralización como consecuencia de la captura de electrones. Dicho modelo fue aplicado al estudio de dosímetros MOS con 70 nm de espesor de óxido, cuya respuesta presenta dinámicas no monótonas luego de cambios en la tensión de polarización durante la irradiación, las cuales no pueden ser reproducidas por los modelos simplificados que han sido propuestos en la literatura, a menos que se considere la presencia de dos tipos de trampas dentro del óxido. Las simulaciones con el modelo numérico mostraron que es posible reproducir los resultados experimentales considerando un único tipo de trampas, brindando además una explicación física razonable a los fenómenos observados, basada en un proceso de redistribución de la carga capturada no reportado previamente en la literatura. Como mostraron las simulaciones, dicha redistribución de carga es también responsable del desplazamiento del valor cuasi-estacionario de la tensión umbral durante etapas de neutralización inducida por radiación en dosímetros comerciales REM RFT-300 de 300 nm de espesor de óxido, brindando así una explicación simple del fenómeno, sin la necesidad de recurrir a hipótesis adicionales como la generación de trampas de borde. Se estudió el efecto que la redistribución de carga tiene sobre la sensibilidad del sensor cuando éste opera bajo la técnica de mediciones cíclicas controladas por tensión. A partir de las simulaciones, pudieron ser exploradas las dependencias con el campo eléctrico de las tasas de captura y neutralización. Finalmente, se llevó a cabo un análisis de la validez de las hipótesis de un estado estacionario para el transporte de portadores y una distribución de trampas de huecos cercanas a la interfaz, usualmente consideradas en la literatura.
In this doctoral dissertation the voltage instabilities induced by electrical and
radiation stress on metal-oxide-semiconductor (MOS) structures with high-κ dielectrics
as insulating layer were studied by experiments and numerical simulations. Also, a
physics-based numerical model was developed to reproduce the total dose response of
MOS structures exposed to ionizing radiation.
Positive bias instabilities were studied on MOS structures with hafnium oxide
(HfO2), alumina (Al2O3), and a nanolaminate stack of both materials, deposited on a HF last treated silicon substrate. The obtained results are consistent with electron trapping/detrapping in as-grown defects within the insulator, due to tunnel transitions between these electron traps and electronic states in the substrate. For HfO2-based structures, it was observed a fast trapping process that slows down with stress time, preceded by an initial trapping with shorter characteristic times. The fast trapping process is related to electron traps inside the HfO2 layer, maybe due to oxygen vacancies. The initial trapping is possibly related to defects inside a thin substoichiometric SiOx interfacial layer. The obtained results in Al2O3 layers show the presence of two different trapping processes. One process involves traps which have similar trapping and detrapping characteristic time, and they are responsible of the hysteresis phenomenon. The second process manifests for much longer stress time showing to be a much more stable capture trap, which affects the long time response of charge-trapping nonvolatile memories. A comparative study of radiation effects with different radiation sources was performed. For γ-rays and oxygen ions total ionizing dose effects were dominated by the capture of radiation generated holes, whereas for proton irradiation the results were consistent with the capture of both electrons and holes, and the generation of interface traps. Real-time measurements of γ-ray irradiations showed the superposition of a biasinduced trapping/detrapping process and the capture of radiation generated holes. Both contributions could be distinguished by a physical model based simulation. A physics-based numerical model was developed to reproduce of MOS dosimeters to the effects of total ionizing radiation dose. The model deals with the transient problem involving different processes like electron-hole pairs generation, prompt recombination, electrons and holes transport, and hole capture and neutralization. This model was applied to MOS dosimeters with 70 nm oxide thickness, which present non-monotonic responses after bias switches during irradiation.
Simplified models are not able to reproduce the experimental results, unless the existence of two types of traps are considered within the oxide. Simulations with the numerical model showed that it is possible to reproduce the experiments with only one type of hole traps, giving a reasonable physical explanation to the observed phenomenon, based on a trapped charge redistribution process not previously reported in the literature. As shown by simulations, this charge redistribution is also responsible of the progressive shift of the quasi-steady state threshold voltage towards negative values during radiation-induced charge neutralization stages in RADFET REM RFT- 300 commercial dosimeters with 300 nm oxide thickness, offering a simple explanation, discarding the additional hypothesis of border traps generation. The effect of charge redistribution on the sensor sensitivity during a bias controlled cycled measurement was also studied. From simulations, the electric field dependences of the hole capture and neutralization rates were studied and compared with previous reports in the literature. Finally, the validity of both a steady state condition for carrier transport and the hypothesis about a distribution of hole traps close to Si/SiO2 interface was discussed.