A mesura que les dimensions dels dispositius MOS es van reduïnt, augmenta la importància de les variacions locals de les propietats elèctriques del dispositiu en el seu comportament global, variacions que són indetectables mitjançant les tècniques de caracterització convencionals. Així, es fa necessària la utilització de tècniques capaces de realitzar una caracterització a escala nanomètrica, com, per exemple, les microscopies d’escombrat per sonda local (SPM, Scanning Probe Microscopy). Entre aquestes tècniques, aquelles relacionades amb la Microscòpia de Forces Atòmiques (AFM) s’estan fent servir, cada cop amb més freqüència, per a l’estudi dels dispositius nanoelectrònics.

 

REDEC ha emprat la Microscopia de Forces Atòmiques amb punta conductora (CAFM, Conductive AFM) i altres tècniques afins a l’AFM per a l’estudi de les propietats elèctriques de memòries basades en nanocristalls de Si en una matriu de SiO2 y de la fiabilitat de capes ultra-primes de SiO2 sotmeses a estressos elèctrics o a processos d’irradiació i implantació iònica, a escala nanomètrica. Més recentment, l’ús d’aquestes tècniques s’ha estès a dispositius basats en dielèctrics high-k, analitzant tant l’efecte en les seves propietats elèctriques a escala local de diferents alternatives tecnològiques com la seva fiabilitat.

 

ALGUNS RESULTATS


Millores del set-up i de les mesures CAFM

Desenvolupament del ECAFM i log-CAFM. S’han desenvolupat dos nous prototipus de CAFM amb prestacions elèctriques millorades que permeten superar les limitacions del CAFM estàndard quan ha de ser emprats per estudis de fiabilitat. Els prototipus són el ECAFM (Enhanced CAFM), que consisteix en connectar un analitzador de paràmetres de semiconductors amb els seus SMUs a un AFM estàndard i el log-CAFM, que consisteix en un CAFM convencional en el qual s’ha implementat un conversor I-V logarítmic de baix soroll. Ambdues tècniques s’han aplicat a l’estudi de la fiabilitat del SiO2 i de dispositius basats en high-k.

Corbes I-V mesurades amb l’ECAFM en el mateix punt d’un stack basat en una bicapa de HfO2/SiO2. La segona corba, en taronja, indica la ruptura de l’stack.

Corbes I-V mesurades amb l’ECAFM en el mateix punt d’un stack basat en una bicapa de HfO2/SiO2. La segona corba, en taronja, indica la ruptura de l’stack.

 

Mesures CAFM en ambient controlat. S’ha demostrat que la qualitat i reproducibilitat de les mesures CAFM de dielèctrics de porta es veuen clarament millorades quan es realitzen en un ambient controlat (buit o N2).

 

Dispositius basats en SiO2

La ruptura del SiO2 a la nanoescala. S’ha avaluat l’impacte del límit de corrent en la conducció de post-ruptura, el dany estructural i la propagació de l’spot de ruptura. S’ha observat que quan s’imposa un límit de corrent durant l’estrés, la ruptura és menys severa. Tot i així, la regió de l’òxid no afectada roman en un estat metastable que acaba patint la ruptura quan les condicions d’estrés canvien.

Caracterització elèctrica de capes de SiO2 irradiades. S’han utilitzat diferents tècniques AFM per analitzar les propietats elèctriques d’òxids de porta irradiats amb ions pesats. S’ha demostrat que només ~1-2% dels ions generen un camí percolatiu associat a un esdeveniment de ruptura suau (soft-Breakdown, SBD). La resta d’ions debiliten l’òxid donant lloc a spots localment febles que s’han associat a la RILC.

Caracterització elèctrica de capes de SiO2 implantades. S’ha utilitzat un CAFM, SCM i KPFM per estudiar qualitativament i comparar l’impacte de la implantació i irradiació en capes de SiO2 a diferents energies. Els resultats mostren que amb el CAFM és possible detectar diferències en el cas dels ions implantats a diferents energies. Quant més gran és l’energia, més gran és el nombre d’spots febles generats. Malgrat això, només els ions molt energètics (irradiació) són capaços de generar spots de ruptura.

Memòries basades en Si-nc. El C-AFM ha demostrat ser una eina molt potent per investigar dispositius de memòria basats en nanocristalls de Si (Si-nc) a escala nanomètrica. S’ha observat que a camps baixos apareix un excés de corrent associat a un corrent túnel assistit pels nanocristalls. També s’ha determinat la quantitat de càrrega atrapada als nanoscristalls i el seu temps de retenció, obtenint uns resultats compatibles amb els obtinguts amb les tècniques de caracterització estàndard.

 

Imatge de corrent d’un spot de ruptura prèviament trencat amb la punta del CAFM en una capa de SiO2.

Imatge de corrent d’un spot de ruptura prèviament trencat amb la punta del CAFM en una capa de SiO2. 

 

Dispositius basats en dielèctrics high-k

Efectes del recuit i composició en les propietats elèctriques de dielèctrics high-k. S’ha estudiat com la cristal.lització i la difusió de Si des del substrat (que alhora depenen de la temperatura de recuit) afecten a la conducció elèctrica de dielèctrics basats en Hf i a la seva homogeneïtat. També s’ha analitzat l’impacte de diferents composicions. S’ha demostrat que un augment de la temperatura de recuit i de la concentració de Hf redueix la conductivitat del dielèctric.

Fiabilitat de dielèctrics high-k. S’ha observat que, a camps baixos, l’estrés elèctric provoca l’atrapament/desatrapament de càrregues en les trampes (natives o generades per l’estrés) de la capa de HfO2, mentre que a camps alts es degrada tant la capa de HfO2 com la capa interficial de SiO2. Si el camp elèctric aplicat és prou elevat, s’indueix la ruptura dielèctrica, la qual ve controlada bàsicament per la capa de SiO2.

 

PUBLICACIONS RELLEVANTS

 

  • M. Lanza, M. Porti, M. Nafría, X. Aymerich, E. Wittaker and B. Hamilton,”Electrical resolution during Conductive AFM measurements under different environmental conditions and contact forces”, Review of Scientific Instruments, accepted for the publication on July 2010.
  • M.Lanza, M.Port, M.Nafria, X.Aymerich,G.Benstetter, E.Lodermeier, H.Ranzinger, G.Jaschke, S.Teichert, L.Wilde and P.Michalowski, “Conductivity and charge trapping after electrical stress in amorphous and polycristaline Al2O3 based devices studied with AFM related techniques”, IEEE Trans. on Nanotechnology, accepted for the publication.
  • M. Porti, M. Avidano, M. Nafría, X. Aymerich, J. Carreras, O. Jambois, B. Garrido, “Nanoscale electrical characterization of Si-nc based memory MOS devices”, Journal of Applied Physics, 101, art. 064509, 2007.
  • L. Aguilera, M. Porti, M. Nafría y X. Aymerich, “Charge trapping and degradation of HfO2/SiO2 MOS gate stacks observed with Enhanced CAFM”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 27, No. 3, pp. 157-159, 2006.
  • M. Porti, M. Nafría, X. Aymerich, A. Cester, A. Paccagnella y S. Cimino, “Electrical characterization at a nanometer scale of weak spots in irradiated SiO2 gate oxides”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 52 (5), Part 2, pp. 1457–1461, 2005.
  • X. Blasco, M. Nafría, X. Aymerich, J. Pétry y W. Vandervorst, “Nanoscale post-breakdown conduction of HfO2/SiO2 MOS gate stacks studied by Enhanced-CAFM”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.52 (12), pp. 2817-2819, 2005.
  • X. Blasco, M. Nafría and X. Aymerich, “Enhanced electrical performance for conductive atomic force microscopy”, Review of Scientific Instruments, Vol. 76 (1), No. 016105, 2005.
  • X. Blasco, J.Pétry, M. Nafría, X. Aymerich, O. Richard and W. Vandervorst, “C-AFM Characterization of the Dependence of HfAlOx Electrical Behavior on Post Deposition Annealing Temperature”, Microelectronic Engineering, Vol. 72 (1-4), pp.191-196, 2004.
  • M. Porti, M. Nafría and X. Aymerich, “Current limited stresses of SiO2 gate oxides with Conductive Atomic Force Microscope”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 50 (4), pp. 933-940, 2003.
  • M. Porti, M. Nafría, X. Aymerich, A. Olbrich and B. Ebersberger, “Nanometer-scale electrical characterization of stressed ultrathin SiO2 films using Conducting Atomic Force Microscopy”, Applied Physics Letters, Vol. 78 (26), pp. 4181-4183, 2001.