A medida que las dimensiones de los dispositivos MOS han ido reduciéndose, aumenta la importancia de las variaciones locales de las propiedades eléctricas del dispositivo en su comportamiento global, variaciones que son indetectables mediante las técnicas de caracterización convencionales. Así, se hace necesaria la utilización de técnicas capaces de llevar a cabo una caracterización a escala nanométrica, como, por ejemplo, las microscopías de barrido con sonda local (SPM, Scanning Probe Microscopy). Entre estas técnicas, aquellas relacionadas con la Microscopía de Fuerzas Atómicas (AFM) se están utilizando cada vez con más frecuencia para el estudio de los dispositivos nanoelectrónicos.

 

REDEC ha utilizado la Microscopía de Fuerzas Atómicas con Punta Conductora (CAFM, Conductive Atomic Force Microscope) y otras técnicas afines al AFM para el estudio de las propiedades eléctricas de memorias basadas en nanocristales de Si en una matriz de SiO2 y de la fiabilidad de capas ultra-delgadas de SiO2 sometidas a estreses eléctricos o a procesos de irradiación e implantación iónica, a escala nanométrica. Más recientemente, el uso de estas técnicas se ha extendido a dispositivos basados en dieléctricos high-k, analizando tanto el efecto en sus propiedades eléctricas a escala local de diferentes alternativas tecnológicas como su fiabilidad.

 

ALGUNOS RESULTADOS


Mejoras del set-up y de las medidas CAFM

Desarrollo del ECAFM y log-CAFM. Se han desarrollado dos nuevos prototipos de CAFM con prestaciones eléctricas mejoradas que permiten superar las limitaciones del CAFM estándar cuando debe ser utilizado para estudios de fiabilidad. Los prototipos son el ECAFM (Enhanced CAFM), que consisten en conectar un analizador de parámetros de semiconductores con sus SMUs correspondientes a un AFM estándar y el log-CAFM, que consiste en un CAFM convencional en el cual se ha implementado un convertidor I-V logarítmico de bajo ruido. Ambas técnicas se han aplicado al estudio de la fiabilidad del SiO2 y dispositivos basados 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.

Curvas I-V medidas con el ECAFM en el mismo punto de un stack basado en una bicapa de HfO2/SiO2. La segunda curva, en naranja, indica la ruptura del stack.

 

Medidas CAFM en ambiente controlado. Se ha demostrado que la calidad y reproducibilidad de las medidas CAFM de dieléctricos de puerta se ve claramente aumentada cuando se realizan en un ambiente controlado (vacío o N2).

 

Dispositivos basados en SiO2

La ruptura del SiO2 a la nanoescala. Se ha evaluado el impacto del límite de corriente en la conducción de post-ruptura, el dañado estructural y la propagación del spot de ruptura. Se ha observado que cuando se impone un límite de corriente durante el estrés, la ruptura es menos severa. No obstante, la zona de óxido no afectada se encuentra en un estado metaestable que acaba sufriendo la ruptura en el momento en que las condiciones de estrés cambian.

Caracterización eléctrica de capas de SiO2 irradiadas. Se han utilizado diferentes técnicas AFM para analizar las propiedades eléctricas de óxidos de puerta irradiados con iones pesados. Se ha demostrado que sólo ~ 1-2% de los iones generan un camino percolativo, asociado a un evento de ruptura suave (soft-Breakdown, SBD). El resto de iones debilitan el óxido dando lugar a spots localmente débiles que se han asociado a la RILC.

Caracterización eléctrica de capas de SiO2 implantadas. Se ha utilizado un CAFM, SCM y KPFM para estudiar cualitativamente y comparar el impacto de la implantación e irradiación en capas de SiO2 a diferentes energías. Los resultados demuestran que con el CAFM es posible detectar diferencias en el caso de los iones implandos a distintas energías. Cuanto más alta es la energía, más grande es el número de spots débiles generados. No obstante, sólo iones muy energéticos (radiación) son capaces de generar spots de ruptura.

Memorias basadas en Si-nc. El C-AFM ha demostrado ser una herramienta muy potente para investigar dispositivos de memoria basados en nanocristales de Silicio (Si-nc) a escala nanométrica. Se ha observado que a campos bajos aparece un exceso de corriente asociada a corriente túnel asistida por los nanocristales. También se ha determinado la cantidad de carga atrapada en los nanocristales y su tiempo de retención, obteniendo unos resultados compatibles con los obtenidos mediante técnicas de caracterización estándar.

 

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

Imagen de corriente de un spot de ruptura préviamente roto con la punta del CAFM en una capa de SiO2.

 

 

Dispositivos basados en dieléctricos high-k

Efectos del recocido y composición en las propiedades eléctricas de dieléctricos high-k. Se ha estudiado como la cristalización y la difusión de Si desdel substrato (que depende de la temperatura de recocido) afectan a la conducción eléctrica de dieléctricos basados en Hf y a su homogeneidad. También se ha analizado el impacto de distintas composiciones. Se ha observado que un aumento de la temperatura de recocido y de la concentración de Hf reduce la conductividad del dieléctrico.

Fiabilidad de dieléctricos high-k. Se ha observado que, a campos bajos, el estrés eléctrico provoca la captura/emission de cargas en las trampas (nativas o generadas por el estrés) de la capa de HfO2, mientras que a campos altos se degrada tanto la capa de HfO2 como la capa interficial de SiO2. Si el campo eléctrico aplicado es suficientemente alto, se induce la ruptura dieléctrica, la cual está controlada básicamente por la capa de SiO2.

 

PUBLICACIONES RELEVANTES

 

  • 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.