Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Schichten hoher Dielektrizitätskonstante für den Einsatz in ladungsbasierten nichtflüchtigen Speicherzellen

High-k dielectrics for application in charge-trapping nonvolatile memories
 
: Erlbacher, T.

:
Volltext urn:nbn:de:bvb:29-opus-9348 (7.8 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 23cbd8f1de5421f1da647872c78e1981
Erstellt am: 19.3.2009


Erlangen, 2008, 123 S.
Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2008
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IISB ()
Hafniumsilicat; high-k; Hoch-Epsilon; SONOS; Speicher (nichtflüchtig)

Abstract
In dieser Arbeit wird der Einsatz von Hafniumsilicat (HfxSiyO4), als ausgewählter Vertreter der Schichten hoher Dielektrizitätskonstante im Gatedielektrikum von haftstellenbasierten nichtflüchtigen Speicherzellen untersucht. Zunächst werden grundlegende elektrische Eigenschaften (z.B. Haftstellentiefe, Haftstellendichte, dominierender Ladungstransportmechanismus) der Hafniumsilicatschich¬ten, welche mittels chemischer Dampfphasenabscheidung aus einer einzigen chemischen Verbindung abgeschieden wurden, aus Strom- und Kapazitäts-Spannungsmessungen abgeleitet. Die mittlere energetische Tiefe der Haftstellen in Hafniumsilicat wurde zu 0,8eV bestimmt und als Stromleitungsmechanismus dominiert die feldunterstützte thermische Emission. Außerdem werden mittels Ellipsometrie durch¬geführte Schichtd ickenmessungen an Hafniumsilicatschichten mit den äquivalenten Oxiddicken verglichen, welche aus Kapazitäts-Spannungsmessungen ausgewertet wurden. Im Anschluss wird an Hand von MIS-Kondensatoren Hafniumsilicat als Ladungsspeicherschicht untersucht. Messungen zeigen, dass HfxSiyO4-Dünnschichten weniger Haftstellen aufweisen, wenn das thermische Budget während der Bauelementeherstellung erhöht wird. Die Haftstellendichte der untersuchten HfxSiyO4-Schichten kann derart beeinflusst werden, dass sie höher als die in Siliciumnitrid ist. In diesem Fall weisen Proben mit einer Speicherschicht aus HfxSiyO4 im Vergleich zu konventionellen Speicherteststrukturen bei einer geringeren äquivalenten Oxiddicke durch die größere Haftstellendichte eine höhere Schreibgeschwindigkeit auf. Gleichzeitig ist au f Grund der geringeren äquivalenten Oxiddicke eine deutliche Verringerung der Schreibspannung möglich. Andererseits wird der Löschvorgang mittels feldunterstützter thermischer Emission durch die geringere Feldstärke in der HfxSiyO4-Schicht behindert. Dieser Nachteil kann umgangen werden, wenn die Injektion heißer Löcher als Löschmechanismus eingesetzt wird. Messungen zur Speicherhaltezeit zeigen, dass die Information in einer Speicherzelle mit einer Speicherschicht aus HfxSiyO4 zuverlässig für mehr als 10 Jahre gespeichert werden kann. Dabei muss jedoch die Dicke der darüber und darunter liegenden Oxidschichten vergrößert werden, um zusätzliche Ladungsträgerverluste zu kompensieren, die durch die geringere Haftstellentiefe und effektive Elektronenmasse in HfxSiyO4 bedingt sind. Als nächst es werden MIS-Kondensatoren mit einem Steueroxid aus einer Schichtfolge von Hafniumsilicat und Siliciumdioxid charakterisiert und mit Teststrukturen verglichen, die einen konventionellen Speicherschichtstapel aufweisen. Der Schreibvorgang läuft für beide Schichtstapel mit vergleichbarer Geschwindigkeit ab, da sich die Bedingungen zur Ladungsinjektion, insbesondere die elektrische Feldstärke im Tunneloxid, nicht wesentlich unterscheiden. Die Ladungsemission (Löschvorgang) findet bei den Teststrukturen mit Hafniumsilicat schneller statt, weil die parasitäre Injektion von Elektronen aus der Gateelektrode auf Grund des geringeren elektrischen Feldes im Material hoher Dielektrizitätskonstante unterdrückt wird. Dies erhöht die Anwendbarkeit von feld¬unterstützter thermischer Emission als Löschme chanismus in nichtflüchtigen Speicherzellen im Vergleich zur stromintensiven Injektion heißer Löcher. Durch die Reduzierung des Leckstroms erhöht sich auch die elektrische Oxidstabilität, weshalb höhere Löschspannungen verwendet werden können. Somit ist im Vergleich zu konventionellen nichtflüchtigen Speicherzellen eine schnellere Entfernung von Ladungen aus der Speicherschicht möglich. Allerdings ist auf Grund des Ladungseinfangs in der Hafniumsilicatschicht ein anfänglich starker Ladungsverlust zu beobachten. Eine Verringerung der Barriere¬höhe des Steueroxids unter hohen Feldstärken erhöht ferner die Tunnelwahrscheinlichkeit eingefangener Ladungen aus den Haftstellen. Eine Verringerung der HfxSiyO4-Schichtdicke, bei der die guten Löscheigenschaften erhalten bleiben und gleichzeitig die Ladungsverlustrate während der Informationsspeicherung verringert wird, erscheint daher zweckmäßig. An Hand dieser Ergebnisse werden Schlussfolgerungen bezüglich der Verwendung von Hafniumsilicat und anderer Schichten hoher Dielektrizitätskonstante im Gatestapel nichtflüchtiger Speicherzellen hergeleitet. Während der ausschließliche Ersatz der Ladungsspeicherschicht aus Siliciumnitrid durch eine HfxSiyO4-Schicht zur Erhöhung der Löschdauer führt, könnte der Einsatz einer zusätzlichen dünnen Hafniumsilicatschicht im Steueroxid diesen Nachteil kompensieren. Außerdem erscheint eine weitere Erhöhung der Speicherhaltezeit durch die Verwendung von Dielek¬trika mit einer höheren Barrierehöhe zu Silicium (z.B. Al2O3) oder mit vergleichbarer Barrierehöhe aber einer nochmals höheren Dielektrizitäts konstante (z.B. La2O3) sinnvoll.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-90935.html