Óxidos delgados para micro y nanoelectrónica: Degradación, ruptura y aplicaciones tecnológicas

Abstract

El trabajo desarrollado en esta Tesis se focaliza en el estudio de mecanismos de transporte eléctrico involucrados en la degradación y eventual ruptura de películas dieléctricas (óxidos delgados). Éstos forman parte de una infinidad de dispositivos que son fabricados en vistas de posibles aplicaciones tecnológicas. El estudio de la degradación adquiere relevancia debido a que es preciso saber cómo se degrada cada componente y cómo ello incide en el comportamiento eléctrico general del dispositivo.

Las estructuras estudiadas consisten en apilamientos metal/ óxido/ semiconductor (del inglés MIS) que pueden ser pensados como capacitores y que, en particular, constituyen la estructura básica para la construcción de transistores de efecto campo (MOSFET, según su sigla en inglés). A su vez, la misma estructura se encuentra presente en otro tipo de dispositivo conque se trabajó: las NROM (Nitride Read-Only Memories); que constituyen un tipo particular de las ampliamente difundidas memorias FLASH. Se trata de apilamientos fabricados a nivel comercial que se emplean actualmente como memorias no volátiles. Además, en la misma línea de analizar propiedades eléctricas de óxidos bajo distinto tipo de estímulos, se incursionó en el estudio de estructuras metal/ aislante/ metal (del inglés MIM). En ellas, la conmutación resistiva se muestra como una de las posibles aplicaciones de algunos de los mismos óxidos mencionados con anterioridad. Complementariamente, se analiza la factibilidad de su uso como mecanismo de memoria, en comparación con los mencionados NROM. El trabajo consistió en la caracterización eléctrica, comprensión de los mecanismos de conducción y/o conmutación así como el estudio bajo condiciones de degradación tales como radiación (de fotones , de iones pesados, protones y rayos X) y operación prolongada (procesos de estrés eléctrico). Si bien las distintas estructuras provienen de diversas colaboraciones con otros grupos de investigación, también se efectuaron algunas incursiones en los procesos de fabricación.

Este trabajo comienza con la descripción de los efectos producidos por la incidencia de distintos tipos de radiación en estructuras MIS (metal/ aislante/ semiconductor), a partir de un análisis comparativo. Complementariamente, en los mismos apilamientos, se estudió la degradación debida a la aplicación prolongada de un voltaje. Luego se presenta un estudio orientado a comprender si la descarga producida por rayos X incidiendo en estructuras MOSFET condiciona la persistencia de las cargas atrapadas en las cercanías del dato perdido. A continuación, la incursión en estructuras de tipo MIM dio lugar a una serie de indagaciones vinculadas con el tópico de la conmutación resistiva. Se verá que muchas de las técnicas y aprendizajes adquiridos, durante los estudios precedentes, resultaron ventajosos al momento de encarar esta línea. Se puso de manifiesto la conmutación resistiva en muestras basadas en MgO y HfO2. En el primer caso, una conmutación entre estados muy disímiles (en orden de magnitud de la corriente)sugirió la propuesta de alternativas de fabricación. En el segundo, una amplia variedad de experimentos fueron empleados con la finalidad de comprender el comportamiento evidenciado por dicho material, que resultó destacarse por la particularidad de sus propiedades (autolimitación de corriente, ausencia de electroformado, resistencia al estrés eléctrico, etc.).

Studies carried out in this Thesis have been focused on thin film oxide degradation and breakdown mechanisms. Motivation arises from the fact that those films are part of a huge number of devices manufactured for possible technological applications. Degradation analysis becomes relevant since it is necessary to know the way in which each component is modified. Electrical behavior of degraded components is also of paramount importance.

Analyzed structures consist of capacitive stacks composed of metal / insulator / semiconductor (MIS) which constitute the basic structure for transistor construction such as MIS - Field Effect technology. The same structure may be observed in the well-known memory technology: NROM devices, which consist of a variety of the so called F LASH memories. Within the same research framework of studying electrical properties of oxide films under different stimuli, resistive switching was dealt with. In this case, stack is somewhat different from that previously mentioned: semiconductor bottom contact is replaced by another metal contact (metal / insulator / metal or MIM). The main goal of this work is to improve the understanding of degradation and breakdown causes as well as the variety of techniques employed to reach that target (electrical characterization, stress measurements, radiation incidence). Although samples were provided by collaborators, some fabrication processes were carried out within the Thesis development.

Firstly, radiation incidence on high k based MIS structures was comparatively analyzed from different radiation sources. Afterwards, a complementary degradation mechanism was studied in the same sample type: electrical stress. Since it was shown that radiation incidence is a cause of oxide degradation (producing trapped charge or modifying charge densities) a comprehensive study on simultaneous discharge of NROM based memories was carried out. As it was demonstrated, current technology of F LASH memories (i.e. NROM) seems not to be appropriate for hazard environments, so a different memory type was analyzed: ReRAM devices. Two high k based materials were tested during this work: MgO and HfO2. The first one presented an unusual switching ratio with a low rate of repetition; soft breakdown regime was identified to justify such behavior. The second one, remarkable for its properties (self current limitation, electroforming free, electrical stress hardness), showed that the complex fabrication process produced a more complex stack than the one usually employed.