Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Αγγελική Αραπογιάννη, Καθηγήτρια, Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
Περίληψη:
Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν τροποποιημένες διατάξεις Οξειδίου-Νιτριδίου-Οξειδίου (ONO, Oxide-Nitride-Oxide) ως μνήμες παγίδευσης φορτίου. Η τροποποιημένη δομή ΟΝΟ προκύπτει από την εμφύτευση ιόντων πυριτίου υψηλής δόσης (~1x1016 Si+/cm2) και χαμηλής ενέργειας (1 keV) σε δομές οξειδίου-νιτριδίου που ακολουθείται από διεργασία υγρής οξείδωσης (850 οC, 15 min). Η ακολουθία αυτή των διεργασιών οδηγεί στο σχηματισμό τριστρωματικής δομής οξειδίου-νιτριδίου-οξειδίου.
Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν τρείς διαφορετικές δόσεις: 5x1015, 1x1016, 1.5x1016Si+/cm2 αναφερόμενες ως χαμηλή, μεσαία και υψηλή αντιστοίχως με ενέργεια 1keV. Η εμφύτευση των ιόντων πυριτίου προκαλεί τη διόγκωση του νιτριδίου ώστε να διευθετηθεί ο μεγάλος αριθμός των ιόντων πυριτίου και δημιουργεί μια φάση με υψηλή συγκέντρωση ατόμων πυριτίου πλησίον της ελεύθερης άνω επιφάνειας του νιτριδίου, όπως έδειξαν αναλύσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ). Επίσης, παρατηρήσεις ΤΕΜ έδειξαν τη μικρή διόγκωση του οξειδίου που βρίσκεται σε επαφή με το υπόστρωμα πυριτίου, γεγονός που αποδίδεται σε δευτερογενή φαινόμενα κατά την διάρκεια της εμφύτευσης. Τα ανωτέρω φαινόμενα ενισχύονται με την αύξηση της δόσης.
Μελέτες φασμάτων φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) και φασματοσκοπίας μάζας δευτερογενούς εκπομπής ιόντων (ToF-SIMS) έδειξαν ότι το αναπτυσσόμενο άνω στρώμα της δομής είναι διοξείδιο του πυριτίου με σχεδόν μηδενική παρουσία αζώτου. Επίσης το εναπομένων νιτρίδιο είναι εμπλουτισμένο με οξυγόνο, καθώς και ότι το κάτω οξείδιο είναι εμπλουτισμένο με άζωτο.
Η αλληλουχία των ανωτέρω αναφερόμενων διεργασιών οδηγεί στο σχηματισμό τριστρωματικών δομών που ελέγχονται ως στοιχεία μνήμης παγίδευσης φορτίου. Μετρήσεις χωρητικότητας-τάσης (C-V) υψηλής συχνότητας προσδιόρισαν εξαιρετικά μικρές τυπικές αποκλίσεις του ισοδύναμου πάχους του οξειδίου όλων σχεδόν των δομών, με εξάρτηση του πάχους από την δόση της εμφύτευσης. Ο προσδιορισμός της πυκνότητας των διεπιφανειακών παγίδων πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο σύγκρισης χωρητικοτήτων υψηλής-χαμηλής συχνότητας, και έδειξε την μικρή εξάρτηση του Dit από τις συνθήκες εμφύτευσης.
Στην συνέχεια, οι τροποποιημένες τριστρωματικές δομές ONO μελετήθηκαν ως διατάξεις μνήμης με τη μέθοδο φόρτισης με στοιχειώδες βήμα παλμού (incremental step pulse charging, ISPC). Η δυνατότητα εγγραφής/διαγραφής της μνήμης καθορίστηκε από την κλίση της χαρακτηριστικής καμπύλης ολίσθησης της τάσης επιπέδων ζωνών συναρτήσει του εφαρμοζόμενου παλμού στο ηλεκτρόδιο πύλης ( ΔVFB=f(Vp) ). Η κλίση της καμπύλης d(ΔVFB)/dVp μαρτυρά την αποτελεσματικότητα παγίδευσης των φορέων στο νιτρίδιο και προσδιορίζει την ολίσθηση της τάσης επιπέδων ζωνών που προκαλεί η αύξηση του ύψους του εφαρμοζόμενου παλμού κατά 1 V. Η τροποποιημένη δομή χαμηλής δόσης εμφύτευσης ιόντων Si, παγιδεύει ηλεκτρόνια με αποτελεσματικότητα παγίδευσης 0.83 V/V. Στο δείγμα χαμηλής δόσης δεν παρατηρήθηκε παγίδευση οπών. Η δομή με μεσαία δόση εμφύτευσης παγιδεύει ηλεκτρόνια με αποτελεσματικότητα 0.67V/V και οπές με αποτελεσματικότητα από -0.35V/V έως -0.44V/V. Τέλος, στο δείγμα υψηλής δόσης, η αποτελεσματικότητα παγίδευσης ηλεκτρονίων υπολογίστηκε 0.57 V/V και των οπών από -0.47 V/V έως -0.56 V/V.
Στη συνέχεια, ελέγχεται η ικανότητα των τροποποιημένων δομών να διατηρούν τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια στο στρώμα παγίδευσης. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η αποπαγίδευση των ηλεκτρονίων στις θερμοκρασίες 50 ºC, 90 ºC, 120 ºC, 150 ºC και 180 ºC. Για κάθε θερμοκρασία, εξάγεται η χαρακτηριστική συγκράτησης φορτίου, της οποίας η κλίση (σε V/δεκάδα χρόνου) ισοδυναμεί με το ρυθμό αποπαγίδευσης. Στην τροποποιημένη δομή χαμηλής δόσης, η αποπαγίδευση των ηλεκτρονίων πραγματοποιείται με ρυθμό 0.08 V/δεκάδα χρόνου στους 50 ºC και 90 ºC, ενώ με ρυθμό 0.167 V/δεκάδα χρόνου στους 120 ºC, 150 ºC και 180 ºC. Μετά από 10 χρόνια, παρατηρείται ότι η αρχική ολίσθηση της τάσης επιπέδων ζωνών (3 V) θα κυμαίνεται από 1.9V έως 2.5V. Στις τροποποιημένες δομές με εμφύτευση μεσαίας δόσης, ο ρυθμός αποπαγίδευσης των παγιδευμένων ηλεκτρονίων αυξάνεται από 0.11V/δεκάδα έως 0.32V/δεκάδα καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία από 50 ºC έως 180 ºC. Μετά από 10χρόνια , η αρχική ολίσθηση των 3 V θα κυμαίνεται από 0.9 έως 2.4 V. Στις δομές υψηλής δόσης, ο ρυθμός αποπαγίδευσης αυξάνεται από 0.18V/δεκάδα χρόνου έως 0.27V/δεκάδα χρόνου αυξάνοντας την θερμοκρασία από 50 ºC έως 180 ºC. Η αρχική ολίσθηση των 3V, μετά από 10 χρόνια μειώνεται με την τιμή της να κυμαίνεται από 0.7V έως 1.6V.
Τέλος, προσδιορίζεται η πυκνότητα των παγίδων συναρτήσει της ενέργειάς τους στο δείγμα με το τροποποιημένο νιτρίδιο χαμηλής δόσης εμφύτευσης και στο δείγμα με το αρχικό νιτρίδιο. Συγκεκριμένα, αναλύονται οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές συγκράτησης φορτίου σύμφωνα με το πρότυπο των Yang-Wang. Η πυκνότητα των παγίδων του τροποποιημένου νιτριδίου αυξάνεται στις βαθύτερες παγίδες με τη μέγιστη πυκνότητα, της τάξεως 1.75 ×1018cm -3 eV-1, να εμφανίζεται σε παγίδες ενέργειας 1.4 eV. Αντιθέτως, η πυκνότητα των παγίδων του αρχικού νιτριδίου μειώνεται μονοτονικά με την ενέργεια, με τη μέγιστη πυκνότητα παγίδων, της τάξεως 1,5 × 1018 cm-3 eV-1, να εμφανίζεται στις παγίδες ενέργειας 1,1 eV.
Τα ανωτέρω μεγέθη δείχνουν ότι οι τροποποιημένες δομές MONOS (Μetal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) της υψηλής και μεσαίας δόσης μπορούν να λειτουργήσουν ως διατάξεις παγίδευσης φορτίου ιδιαίτερα σε υψηλές θερμοκρασίες εξαιτίας του γεγονότος ότι η πυκνότητα των βαθέων παγίδων του νιτριδίου αυξάνει.
Λέξεις-κλειδιά:
φόρτιση τροποποιημένων δομών ΟΝΟ, αποτελεσματικότητα παγίδευσης, συγκράτηση φορτίου , ρυθμός αποπαγίδευσης, κατανομή παγίδων
