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Charakterisierung und Modellierung von Ladungseinfangmechanismen in dielektrischen Speicherschichten
(2008)
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 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.