Charakterisierung und Modellierung von Ladungseinfangmechanismen in dielektrischen Speicherschichten

Characterization und modeling of charge trapping mechanisms in dielectric memory layers

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-14875
  • Ladungsbasierte, nichtflüchtige Halbleiterspeicher stellen heute den Standard für dauerhaftes Speichern von Daten für mobile Anwendungen dar. Diese Speichertechnologie basiert auf der Speicherung von Elektronen in einer Speicherschicht innerhalb des Gatestapel eines Metall-Oxid-Silicium-Feldeffekttransistor. Die aktuelle Speichergeneration setzt hierfür eine potentialfreie Elektrode aus Polysilicium ein, welche bei fortschreitender Skalierung jedoch Probleme bereitet. Ein Ausweg ist der Ersatz der potentialfreien Elektrode durch ein Dielektrikum, welches Ladungsträger ortsfest in Haftstellen speichert. Diese auf Ladungseinfang basierende Technologie ist unabhängig von Kapazitäten in derLadungsbasierte, nichtflüchtige Halbleiterspeicher stellen heute den Standard für dauerhaftes Speichern von Daten für mobile Anwendungen dar. Diese Speichertechnologie basiert auf der Speicherung von Elektronen in einer Speicherschicht innerhalb des Gatestapel eines Metall-Oxid-Silicium-Feldeffekttransistor. Die aktuelle Speichergeneration setzt hierfür eine potentialfreie Elektrode aus Polysilicium ein, welche bei fortschreitender Skalierung jedoch Probleme bereitet. Ein Ausweg ist der Ersatz der potentialfreien Elektrode durch ein Dielektrikum, welches Ladungsträger ortsfest in Haftstellen speichert. Diese auf Ladungseinfang basierende Technologie ist unabhängig von Kapazitäten in der Speicherzelle und bietet zudem den Vorteil des zuverlässigen Betriebes auch bei Schädigung der Oxide. Die ortsfeste Speicherung der Ladungsträger erlaubt sogar die Speicherung von zwei physikalisch voneinander getrennten Bits pro Speicherzelle. Dieser Betriebsmodus erfordert jedoch ein hohes Maß an Kontrolle des Ladungsträgereinfangs. Die Ladungseinfangmechanismen wurden im Rahmen der Arbeiten zur Promotion experimentell untersucht. Speziell für diese Untersuchungen wurde ein eigenes Charakterisierungsverfahren entwickelt, welches das Unterschwellenverhalten der Speicherzellen in verschiedenen Programmierzuständen analysiert. Im Vergleich zu bisher bekannten Methoden erhöht dieses Verfahren die Genauigkeit der Bestimmung von lateralen Ladungsverteilungen in der Speicherschicht. Mittels Untersuchungen von gateinduzierten Drainleckströmen konnten inhomogene Ladungsverteilungen der Speicherladung aufgrund der Injektion von Elektronen mittels Fowler-Nordheim-Tunneln nachgewiesen werden. Diese Inhomogenitäten können Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Speicherzelle haben, insbesondere bei weiterer Skalierung. Die entwickelten Verfahren wurden außerdem zur Charakterisierung von Speicherzellen im Rahmen der Durchführung von Zyklentests verwendet. Zyklentests zeigen die Schädigungen im Bauelement durch mehrmaliges Beschreiben und Löschen der Speicherzelle. Die Auswirkungen der Schädigungen wurden außerdem durch Untersuchungen der Speicherhaltezeit bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt. Dabei wurde nachgewiesen, dass das Speicherhaltevermögen aufgrund des zunehmenden Ladungsverlustes deutlich sinkt. Weiter konnte gezeigt werden, dass lokalisiert eingebrachte Ladungspakete in einer häufig beschriebenen und gelöschten Zelle auseinander fließen. Dies hat wiederum negative Auswirkungen auf den zuverlässigen Betrieb der Speicherzelle im Zwei-Bit-Modus. Um die erläuterten Untersuchungen durchzuführen, wurde ein spezieller Messplatz entwickelt, der hohe Zyklenraten bietet, dabei aber einen hohen Grad an Flexibilität in den Charakterisierungsmöglichkeiten garantiert. Mit Hilfe des Aufbaus konnte der Verlauf von Zyklentests erstmals in dieser Genauigkeit charakterisiert werden. Zur Identifikation der jeweiligen Zustände einer Speicherzelle wurden Bauelementesimulationen durchgeführt. Das experimentell gefundene Verhalten der Speicherzellen konnte dabei durch die Simulationen vollständig nachgebildet werden.show moreshow less
  • Charge based, nonvolatile semiconductor memories set the standard for the persistent storage of data for mobile applications. This memory technology is based on the storage of electrons in a layer within the gate stack of a metal-oxide-silicon field-effect-transistor. The current generation of this memory technology uses a polysilicon floating gate which reaches its limits for further device scaling. A solution is the replacement of the floating gate by a dielectric which captures carriers in traps at fixed positions. This charge trapping technology is independent of capacities in the memory cell and has the advantage of a reliable operation even with degradation of the oxides. The localizedCharge based, nonvolatile semiconductor memories set the standard for the persistent storage of data for mobile applications. This memory technology is based on the storage of electrons in a layer within the gate stack of a metal-oxide-silicon field-effect-transistor. The current generation of this memory technology uses a polysilicon floating gate which reaches its limits for further device scaling. A solution is the replacement of the floating gate by a dielectric which captures carriers in traps at fixed positions. This charge trapping technology is independent of capacities in the memory cell and has the advantage of a reliable operation even with degradation of the oxides. The localized trapping of electrons allows the storage of two physically separated bits in one memory cell. This operation mode requires a good control of the capture mechanisms. The charge capture mechanisms are analyzed experimentally in the studies related to this work. Especially for these investigations a characterization method was developed, which analyzes the subthreshold region of the memory cells in various program states. This procedure increases the accuracy of the determination of lateral charge distributions in the memory layer compared to commonly used methods. Inhomogeneous charge distributions of trapped charges due to the Fowler-Nordheim injection of electrons were found by investigations of gate induced drain leakage currents. These inhomogeneities affect the reliability of the memory cell, particularly with further scaling. The developed procedures were applied to the characterization of memory cells within the scope of cycle tests. The cycle tests showed the degradation of the device due to multiple programming and erasing the memory cell. The effects of degradation were analyzed by the investigation of the retention behavior at different temperatures. It was demonstrated that the data retention decreases due to the significantly increasing charge loss. Further, a drift of localized trapped charges was shown in multiple programmed cells. This affects the reliability of memory cells in the two-bit mode. For the mentioned characterizations, a special measurement setup was developed, which allows high cycle rates while providing customizable characterization possibilities. By the use of this setup, the progress of cycle tests could be accurately characterized for the first time. To identify the actual state of memory cells, device simulations were made. The behavior of memory cells found by the experimental investigations could be completely reproduced by the device simulations.show moreshow less

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Metadaten
Author:Oliver Klar
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-14875
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2009/04/06
Release Date:2009/11/24
Tag:flash memory; hot electron; non-volatile memory; semiconductor memory
SWD-Keyword:Elektronenverteilung; Flash-Speicher; Halbleiter; Halbleitermesstechnik; Halbleiterschicht; Halbleiterspeicher; Heißes Elektron; Nichtflüchtige
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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