Oxidos delgados para micro y nanoelectrónica : degradación, ruptura y aplicaciones tecnológicas

• Autores: Quinteros, Cynthia Paula
• Año de publicación: 2016
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Palumbo, Félix Roberto Mario; Levy, Pablo
• Materia: DIELECTRICOS DE ALTA CONSTANTE; DEGRADACION; RUPTURA; CONMUTACION RESISTIVA; RADIACION; HIGH-K DIELECTRICS; DEGRADATION; BREAKDOWN; RESISTIVE SWITCHING; RADIATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

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 (óxidosdelgados). Éstos forman parte de una infinidad de dispositivos que son fabricados en vistas deposibles aplicaciones tecnológicas. El estudio de la degradación adquiere relevancia debido a quees preciso saber cómo se degrada cada componente y cómo ello incide en el comportamientoeléctrico 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 eninglés). 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 particularde las ampliamente difundidas memorias FLASH. Se trata de apilamientos fabricados a nivelcomercial 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 enel 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 óxidosmencionados con anterioridad. Complementariamente, se analiza la factibilidad de su uso comomecanismo de memoria, en comparación con los mencionados NROM. El trabajo consistió enla caracterización eléctrica, comprensión de los mecanismos de conducción y/o conmutación asícomo 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 lasdistintas 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 distintostipos 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 comprendersi 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 eltópico 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 primercaso, 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 experimentosfueron empleados con la finalidad de comprender el comportamiento evidenciado pordicho material, que resultó destacarse por la particularidad de sus propiedades (autolimitaciónde corriente, ausencia de electroformado, resistencia al estrés eléctrico, etc.).
Studies carried out in this Thesis have been focused on thin film oxide degradation and breakdownmechanisms. Motivation arises from the fact that those films are part of a huge numberof devices manufactured for possible technological applications. Degradation analysis becomesrelevant since it is necessary to know the way in which each component is modified. Electricalbehavior 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 Effecttechnology. The same structure may be observed in the well-known memory technology: NROMdevices, which consist of a variety of the so called FLASH memories. Within the same researchframework of studying electrical properties of oxide films under different stimuli, resistive switchingwas dealt with. In this case, stack is somewhat different from that previously mentioned:semiconductor bottom contact is replaced by another metal contact (metal / insulator / metalor MIM). The main goal of this work is to improve the understanding of degradation andbreakdown causes as well as the variety of techniques employed to reach that target (electricalcharacterization, stress measurements, radiation incidence). Although samples were provided bycollaborators, some fabrication processes were carried out within the Thesis development. Firstly, radiation incidence on high k based MIS structures was comparatively analyzed fromdifferent radiation sources. Afterwards, a complementary degradation mechanism was studiedin the same sample type: electrical stress. Since it was shown that radiation incidence is a causeof oxide degradation (producing trapped charge or modifying charge densities) a comprehensivestudy on simultaneous discharge of NROM based memories was carried out. As it was demonstrated,current technology of FLASH memories (i.e. NROM) seems not to be appropriate forhazard environments, so a different memory type was analyzed: ReRAM devices. Two high kbased materials were tested during this work: MgO and HfO2. The first one presented an unusualswitching ratio with a low rate of repetition; soft breakdown regime was identified to justifysuch behavior. The second one, remarkable for its properties (self current limitation, electroformingfree, electrical stress hardness), showed that the complex fabrication process produced amore complex stack than the one usually employed.
Fil: Quinteros, Cynthia Paula. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.