Mecanismos de conducción a través del aislante de puerta en estructuras MOS (Metal-Oxido-Semiconductor)

• Autores: Miranda, Enrique Alfredo
• Año de publicación: 2002
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Faigón, Adrián Néstor
• Materia: MOS; SIO2; TUNEL; DEGRADACION; RUPTURA DIELECTRICA; MOS; SIO2; TUNNELING; DEGRADATION; DIELECTRIC BREAKDOWN
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Hemos analizado los distintos modos de conducción que tienen lugar a través delaislante de puerta en estructuras Metal-Oxido-Semiconductor (MOS). En especial, por susimplicancias en las tecnologías microelectrónicas, se ha puesto énfasis en lo concerniente aldióxido de silicio (SiO2). Dependiendo del rango de voltajes y de espesores de aislanteconsiderados, el SiO2 exhibe diferentes comportamientos que requieren un estudioparticularizado. Cuando el óxido es muy delgado (<5-6nm), la corriente de túnel a altas tensionespresenta unas oscilaciones que pueden interpretarse, a partir de la mecánica cuántica, comoconsecuencia de la reflexión parcial de la función de onda electrónica en la interfaz anódicade la estructura. Nosotros hemos propuesto un modelo semi-empírico que logra captar laforma de las características de conducción en todo el rango de tensiones permitidos y paratodos los espesores en los que el fenómeno es observable. Al aplicar un estrés eléctrico, la corriente de túnel a bajas tensiones exhibe uncrecimiento anómalo que puede atribuirse a la generación de trampas en el seno del aislante. Este mecanismo de conducción se denomina SILC (stress-induced leakage current). Por otrolado, para óxidos más gruesos (>10nm), es posible detectar un cambio en el estado de cargadel aislante a partir del desplazamiento de la curvas características capacidad-tensión ycorriente-tensión. Hemos propuesto una sencilla modificación de la expresión que se utilizahabitualmente para la corriente de túnel Fowler-Nordheim, la cual permite dar cuenta dedicho comportamiento. Finalmente, se presenta una ampliación de un modelo de conducción que permiteexplicar de manera consistente los dos modos de ruptura (SOFT y HARD) que tienen lugaren óxidos ultra-delgados. El modelo se basa en la física de los sistemas conductoresmesoscópicos y las propiedades de transmisión de los denominados contactos puntualescuánticos. Hasta ahora, este es el único modelo analítico disponible que puede explicarnumerosos hechos experimentales relacionados con el fenómeno bajo estudio.
We have analyzed the different conduction modes through the gate insulator that canbe observed in Metal-0xide-Semiconductor (MOS) structures. Special emphasis is put onsilicon dioxide (SiO2)due to its implications for microelectronic technologies. Depending onthe voltage range and oxide thicknesses considered, SiO2 exhibits different behaviors thatrequire a particular study. When the oxide is very thin (<5-6nm), the tunneling current at large bias showsoscillations that can be interpreted, in terms of quantum mechanics, as a consequence of thewave function’s reflection at the oxide interfaces. We have proposed a semi-empirical modelthat captures the shape of the conduction characteristics in the whole bias range and for allthicknesses in which the phenomenon is observable. When an electrical stress is applied, the tunneling current at low voltages exhibits ananomalous increase that can be attributed to the appearance of bulk traps at the insulator. Thisconduction mechanism is referred to as SILC (stress-induced leakage current). For a thickeroxide (>10nm), it is also possible to detect a change in the oxide state of charge by means ofshifts of the capacity-voltage or current-voltage curves. We proposed a simple modificationto the well-known Fowler-Nordheim tunneling expression, which allows to explain suchbehavior. Finally, we present an improved model for conduction to deal with the breakdownmodes of ultra-thin oxides SOFT and HARD. The model is based on the physics ofmesoscopic conducting systems and the transmission properties of the so-called quantumpoint contacts. Until now, this is the only analytical model available that can successfullyexplain a number of experimental facts related to the phenomenon under study.
Fil: Miranda, Enrique Alfredo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.