Schichten hoher Dielektrizitätskonstante für den Einsatz in ladungsbasierten nichtflüchtigen Speicherzellen

High-k dielectrics for application in charge-trapping non-volatile memory cells

  • In dieser Arbeit wird der Einsatz von Hafniumsilicat (HfxSiyO4), als ausgewählter Vertre-ter der Schichten hoher Dielektrizitätskonstante im Gatedielektrikum von haftstellenbasierten nichtflüchtigen Speicherzellen untersucht. Zunächst werden grundlegende elektrische Eigen-schaften (z.B. Haftstellentiefe, Haftstellendichte, dominierender Ladungstransportmechanis-mus) 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 Hafnium-silicat wurde zu 0,8eV bestimmt und als Stromleitungsmechanismus dominiertIn dieser Arbeit wird der Einsatz von Hafniumsilicat (HfxSiyO4), als ausgewählter Vertre-ter der Schichten hoher Dielektrizitätskonstante im Gatedielektrikum von haftstellenbasierten nichtflüchtigen Speicherzellen untersucht. Zunächst werden grundlegende elektrische Eigen-schaften (z.B. Haftstellentiefe, Haftstellendichte, dominierender Ladungstransportmechanis-mus) 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 Hafnium-silicat wurde zu 0,8eV bestimmt und als Stromleitungsmechanismus dominiert die feldunter-stützte thermische Emission. Außerdem werden mittels Ellipsometrie durch¬geführte Schicht-dickenmessungen an Hafniumsilicatschichten mit den äquivalenten Oxiddicken verglichen, welche aus Kapazitäts-Spannungsmessungen ausgewertet wurden. Im Anschluss wird an Hand von MIS-Kondensatoren Hafniumsilicat als Ladungsspei-cherschicht 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 Speicher-schicht aus HfxSiyO4 im Vergleich zu konventionellen Speicherteststrukturen bei einer gerin-geren äquivalenten Oxiddicke durch die größere Haftstellendichte eine höhere Schreibge-schwindigkeit auf. Gleichzeitig ist auf 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 In-formation 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 kom-pensieren, die durch die geringere Haftstellentiefe und effektive Elektronenmasse in HfxSiyO4 bedingt sind. Als nächstes 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 Ladungs-injektion, insbesondere die elektrische Feldstärke im Tunneloxid, nicht wesentlich unterschei-den. 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 Lösch-mechanismus in nichtflüchtigen Speicherzellen im Vergleich zur stromintensiven Injektion heißer Löcher. Durch die Reduzierung des Leckstroms erhöht sich auch die elektrische Oxid-stabilität, weshalb höhere Löschspannungen verwendet werden können. Somit ist im Ver-gleich zu konventionellen nichtflüchtigen Speicherzellen eine schnellere Entfernung von La-dungen aus der Speicherschicht möglich. Allerdings ist auf Grund des Ladungseinfangs in der Hafniumsilicatschicht ein anfänglich starker Ladungsverlust zu beobachten. Eine Verringe-rung der Barriere¬höhe des Steueroxids unter hohen Feldstärken erhöht ferner die Tunnelwahr-scheinlichkeit eingefangener Ladungen aus den Haftstellen. Eine Verringerung der HfxSiyO4-Schichtdicke, bei der die guten Löscheigenschaften erhalten bleiben und gleichzeitig die La-dungsverlustrate 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 nicht-flüchtiger Speicherzellen hergeleitet. Während der ausschließliche Ersatz der Ladungsspei-cherschicht aus Siliciumnitrid durch eine HfxSiyO4-Schicht zur Erhöhung der Löschdauer führt, könnte der Einsatz einer zusätzlichen dünnen Hafniumsilicatschicht im Steueroxid die-sen 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 Dielektrizi-tätskonstante (z.B. La2O3) sinnvoll.show moreshow less
  • In this thesis the application of hafnium silicate (HfxSiyO4), a representative of high-k materials, in the dielectric gate stack of charge-trapping non-volatile memory cells is dis-cussed. First, fundamental electrical properties (e.g. trap depth, trap density, dominant con-duction mechanism, etc.) of the HfxSiyO4 thin films, deposited by chemical vapor deposition from a single source precursor, are deduced from current- and capacitance-voltage measure-ments. The average energetic depth of traps in hafnium silicate is found to be 0,8eV, and cur-rent conduction in the hafnium silicate layer is dominated by field enhanced thermal emission (Poole-Frenkel effect). Also, thickness measurements oIn this thesis the application of hafnium silicate (HfxSiyO4), a representative of high-k materials, in the dielectric gate stack of charge-trapping non-volatile memory cells is dis-cussed. First, fundamental electrical properties (e.g. trap depth, trap density, dominant con-duction mechanism, etc.) of the HfxSiyO4 thin films, deposited by chemical vapor deposition from a single source precursor, are deduced from current- and capacitance-voltage measure-ments. The average energetic depth of traps in hafnium silicate is found to be 0,8eV, and cur-rent conduction in the hafnium silicate layer is dominated by field enhanced thermal emission (Poole-Frenkel effect). Also, thickness measurements of hafnium silicate by ellipsometry are compared to the equivalent oxide thickness extracted from capacitance-voltage measure-ments. Next, the use of hafnium silicate as a charge trapping layer is investigated using MIS ca-pacitors. Measurements indicate that HfxSiyO4 thin films exhibit less trapping centers when the thermal budget during device fabrication is increased. The oxide trap density of the ana-lyzed HfxSiyO4 layers can be tuned to exceed that of silicon nitride. In this case, samples with a trapping layer of HfxSiyO4 show faster write operation in comparison to samples with con-ventional memory gate stacks. At the same time, a significant reduction of the required write voltages is achieved due to a reduced equivalent oxide thickness. The erase operation by field-assisted thermal emission, however, is hampered by the lower electric field at the HfxSiyO4 layer. This drawback can be circumvented when hot hole injection is applied for erasing the memory cells. Retention measurements show that information can be reliably stored in mem-ory cells with a trapping layer of HfxSiyO4 for more than 10 years similar to their silicon ni-tride counterparts. But the thickness of the top and bottom oxides must be increased for com-pensation of additional charge losses which are due to lower trap depth and free electron mass in HfxSiyO4. Then, MIS capacitors with hafnium silicate and silicon dioxide as a control oxide are characterized and compared to devices featuring a conventional non-volatile memory gate stack. Write oper¬ation in both gate stack types is comparable since injection conditions, par-ticularly the electric field in the tunnel oxide, do not differ significantly. Erase speed for the devices with hafnium silicate is improved because the parasitic injection of electrons from the gate is suppressed due to the lower electric field in the high-k material. This increases the fea-sibility of applying field-enhanced thermal emission as the erase mechanism for non-volatile memories compared to the current-demanding injection of hot holes. The reduction of leakage current through the gate also enhances oxide stability allowing for higher erase voltages to be used. Hence, faster charge removal from the trapping layer is possible compared to conven-tional memory cells. Moreover, measurements indicate longer charge retention for the gate stack with hafnium silicate. However, initial flatband voltage decay is observed due to charge trapping in the hafnium silicate layer. A barrier height reduction of the control oxide under high electric fields also increases the tunneling probability for trapped charges. Reducing the thickness of the hafnium silicate layer appears to be reasonable, maintaining favorable erase properties while minimizing the charge decay rate during retention. From these experiments conclusions are derived regarding the application of hafnium silicate and other high-k dielectrics in the gate stack of non-volatile memory cells. While the sole replacement of the charge trapping layer of silicon nitride by a hafnium silicate layer de-grades erase properties, an additional incorporation of a thin hafnium silicate layer in the con-trol oxide may compensate this drawback. Also, further improvements regarding retention properties appear possible by the appli¬cation of dielectrics with a higher conduction band off-set to silicon (e.g. Al2O3) or by dielectrics with comparable conduction band offset to silicon nitride but a yet higher dielectric constant (e.g. La2O3).show moreshow less

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Metadaten
Author:Tobias Erlbacher
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-9348
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2008/06/09
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/05/27
Release Date:2008/06/09
Tag:flash memory; high-k dielectric; non-volatile memory
SWD-Keyword:Dielektrikum; Flash-Speicher; High-k-Dielektrikum; Nichtflüchtiger Speicher
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $