Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современная элементная база запоминающих устройств 11
1.1 Современное состояние индустрии микроэлектроники 11
1.1.1 Тенденции развития рынка микроэлектроники 11
1.1.2 Технологические особенности производства современных ИМС 13
1.1.3 Перспективные технологические решения в микроэлектронике 18
1.2 Особенности функционирования полупроводниковых ЗУ 20
1.2.1 Особенности развития рынка запоминающих устройств 20
1.2.2 Классификация запоминающих устройств 21
1.2.3 Современные типы энергозависимой памяти 23
1.2.4 Перспективные разработки в области энергозависимой памяти 24
1.2.5 Перспективные разработки в области энергонезависимой памяти 26
1.2.6 3D NAND flash-память 30
1.3 Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) на основе хранения заряда 33
1.3.1 Классификация ПЗУ на основе хранения заряда 34
1.3.2 Ячейки памяти с плавающим затвором 39
1.3.3 Ячейки памяти, выполненные по технологии захвата заряда 45
1.3.4 Многоуровневые запоминающие устройства (MLC) 50
1.4 Выводы по главе 53
ГЛАВА 2. Исследование особенностей возникновения отказов в элементах хранения flash-памяти 55
2.1. Отказы в современных интегральных микросхемах 55
2.1.1 Актуальность анализа отказов ИС 55
2.1.2 Виды и причины отказов ИС 59
2.1.3 Методики анализа отказов ИС 63
2.2. Анализ отказов ячеек flash-памяти 67
2.2.1 Виды отказов ячеек flash-памяти 69
2.2.2 Вероятность отказа ячейки памяти 70
2.2.3 Измерение электрофизических характеристик ячеек памяти 71
2.3 Причины возникновения отказов в элементах памяти 74
2.3.1 Дефекты оксида 75
2.3.2 Ионная контаминация 77
2.3.3 Термоэлектронная эмиссия 77
2.3.4 Дефекты контактных областей ячеек памяти 78
2.3.5 Пробой оксидного слоя 81
2.3.6 Стресс-индуцированный ток утечки 82
2.3.7 Эффект избыточного удаления 84
2.4 Электрофизические механизмы отказов ячеек памяти 85
2.4.1 Эффекты избыточного накопления основных/неосновных носителей заряда в ячейках памяти на основе хранения заряда 87
2.4.2 Механизм генерации ловушек заряда 89
2.4.3 Межзонный туннельный ток 91
2.5 Выводы по главе 93
ГЛАВА 3. Методы СЗМ в исследовании электрофизических параметров МДП-структур 95
3.1 Сканирующая зондовая микроскопия: классификация методик и возможности их практического применения 95
3.1.1 Концептуальные особенности СЗМ 95
3.1.2 Классификация методик СЗМ 96
3.1.3 Возможности методов СЗМ в исследовании полупроводниковых структур 97
3.2. Контактная сканирующая емкостная микроскопия 105
3.2.1 Ключевые принципы и явления, лежащие в основе работы методики КСЕМ 105
3.2.2 Практическое применение методики КСЕМ в исследовании емкостных характеристик МДП-структур 110
3.2.2.1 Измерения емкостных характеристик МДП-структур на основе СЗМ. Определение понятий чувствительности методики КСЕМ. Характеристики исследуемого образца 110
3.2.2.2 Построение и анализ зависимостей для МДП-структур с различными емкостными характеристиками 112
3.2.2.3 Анализ влияния радиуса и проводящего покрытия зонда СЗМ на чувствительность метода КСЕМ. 116
3.2.2.4 Анализ влияния толщины подложки на чувствительность методики КСЕМ по величине пропорциональной емкости МДП-структуры. 120
3.3 Исследование поверхностного потенциала МДП-структур методом зонда Кельвина 121
3.3.1. Теоретические основы работы метода зонда Кельвина 121
3.3.2. Определение чувствительности измерений МЗК 124
3.4 Метод отображения сопротивления растекания 125
3.4.1. Исследование особенностей работы метода отображения сопротивления растекания 125
3.4.2. Оценка практических возможностей метода отображения сопротивления растекания по измерению электрофизических параметров полупроводниковых структур 127
3.5 Выводы по главе 129
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования электрофизических параметров элементов хранения энергонезависимой памяти методами СЗМ 131
4.1 Моделирование ячеек энергонезависимой памяти двухтранзисторного типа и ячеек с расщепленным затвором 131
4.1.1 Возможности применения САПР TCAD для исследования электрофизических параметров элементов хранения энергонезависимой памяти 131
4.1.2 Структура и особенности функционирования ячеек памяти двухтранзисторного типа и ячеек с расщепленным затвором 134 4.1.3 Построение моделей ячеек памяти двухтранзисторного типа и ячеек с
расщепленным затвором в САПР TCAD 136
4.2 Определение соответствия СЗМ и СРЭМ изображений структуры исследуемых ячеек энергонезависимой памяти 138
4.3 Исследование электрофизических параметров некорректно функционирующих ячеек энергонезависимой памяти
4.3.1 Исследование эффектов избыточного накопления основных/неосновных носителей заряда в ячейках энергонезависимой памяти на основе анализа высокочастотных характеристик 142
4.3.2 Исследование поверхностного потенциала элементов хранения энергонезависимой памяти при разном уровне накопленного заряда на плавающем затворе 146
4.3.3 Исследование влияния количества циклов перепрограммирования на область накопления заряда в плавающем затворе на основе детектирования сигнала, пропорционального дифференциальной емкости 1 4.4 Локализация дефектов контактных областей ячеек памяти методом отображения сопротивления растекания 151
4.5 Определение разрешающей способности метода КСЕМ 154
4.6 Выводы по главе 157
Заключение 159
Список использованных сокращений 161
Список используемых источников: 164
- Особенности развития рынка запоминающих устройств
- Виды отказов ячеек flash-памяти
- Классификация методик СЗМ
- Возможности применения САПР TCAD для исследования электрофизических параметров элементов хранения энергонезависимой памяти
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Запоминающие устройства (ЗУ) являются наиболее активно
развивающимся сегментом рынка микроэлектроники. Компактность, высокая
интегрируемость и низкое энергопотребление делают полупроводниковые ЗУ
практически незаменимым решением для хранения данных во всех
современных высокотехнологичных изделиях. Объм и архитектура памяти,
электрофизические параметры элементов хранения, обусловленные их
конструктивными и технологическими особенностями, во многом
определяют функциональные характеристики изделия электронной техники в целом.
К настоящему времени созданы десятки типов памяти с различными
принципами функционирования. Многие компании разрабатывают
собственные элементы хранения памяти исходя из требований к
энергопотреблению, топологическим нормам и функциональным
возможностям изделия. Для наилучшей интеграции массива памяти в ИМС
производители разрабатывают структуру и выбирают механизмы
записи/стирания ячеек памяти.
Ячейка flash-памяти хранит данные в виде заряда на плавающем затворе. Логическое состояние ячейки памяти определяется значением тока протекающего от истока к стоку. В свою очередь ток стока зависит от порогового напряжения управляющего затвора, которое является аналоговой функцией заряда, сохраняемого на плавающем затворе. Аналоговые характеристики преобразуются в периферийных цепях. Утечка или переизбыток электронов на плавающем затворе может привести к потере данных. Ни один другой элемент интегральной микросхемы (ИМС) так не чувствителен к низким уровням диэлектрической утечки (менее 10-23А).
На степень надежности ячейки памяти оказывают влияние дефекты различного рода. Каждый из дефектов вносит свой вклад в деградационные
процессы, протекающие в ячейке памяти, что в итоге приводит к изменениям выходных электрофизических характеристик элемента хранения.
Ячейка памяти во время эксплуатации подвергается воздействию электрических полей, что приводит к усилению деградационных процессов. Особенности условий и режимов эксплуатации, электрические нагрузки ускоряют деградационные процессы и вызывают генерацию дефектов. В итоге все эти процессы могут привести к некорректной работе и даже к отказу ИМС, что может стать критическим фактором при функционировании отдельных военных, навигационных, космических и других важных для государства вычислительных системах.
На надежность постоянных ЗУ (ПЗУ) с субмикронной топологией
влияние оказывают скрытые электрофизические явления, протекающие в
ячейках памяти во время эксплуатации. Определение физических
механизмов, приводящих к отказу ПЗУ, выходит на первый план в процессе увеличения выхода годных изделий и улучшения показателей надежности функционирования элементов flash-памяти. Миниатюризация ячеек памяти, уменьшение количества размещенного на плавающем затворе заряда и другие факторы требуют применения в технологии анализа отказов методов диагностики, возможности которых, позволяют оценить поверхностный потенциал, вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики заданной области интереса с требуемой чувствительностью и пространственным разрешением.
Для повышения качества производства элементов памяти (выход
годных), улучшения их эксплуатационных характеристик, стимулирования
новых разработок в сфере устройств хранения данных необходимо развитие
методов диагностики электрофизических параметров элементов хранения
энергонезависимой памяти на протяжении их жизненного цикла,
позволяющих определять дефекты и исследовать особенности протекания деградационных процессов в ячейках памяти ИМС.
Цель работы
Развитие методов исследования электрофизических параметров
МДП-структур с субмикронным разрешением для локализации и диагностики дефектов в элементах хранения энергонезависимой памяти.
Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:
-
Провести анализ элементной базы запоминающих устройств ИМС;
-
Провести анализ причин возникновения отказов в элементах энергонезависимой памяти;
-
Дать оценку возможности применения существующих методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) в диагностике электрофизических параметров элементов хранения энергонезависимой памяти;
-
Исследовать методом контактной сканирующей емкостной микроскопии высокочастотные вольт-фарадные характеристики МДП-структур;
-
Провести исследования поверхностного потенциала МДП-структур методом зонда Кельвина (МЗК);
-
Разработать механизм комплексной диагностики дефектов элементов хранения энергонезависимой памяти на основе методов СЗМ.
Обоснованность и достоверность полученных результатов
подтверждаются проведенными экспериментальными исследованиями,
согласованностью их результатов с теоретическими данными и отсутствием между ними противоречий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведены комплексные исследования электрофизических параметров ячеек энергонезависимой памяти методами СЗМ.
-
На основе исследований установленных соответствий между высокочастотными вольт-фарадными и вольт-амперными характеристиками, уровнем поверхностного потенциала и зарядом на плавающем затворе ячеек памяти показана возможность диагностики возникающих в них дефектов.
-
Установлена чувствительность МЗК, по уровню детектируемого поверхностного потенциала.
-
Показана возможность повышения чувствительности методики контактной сканирующей емкостной микроскопии (КСЕМ) посредством проведения модификации зондов кантилеверов.
Практическая значимость работы
Полученные результаты позволяют использовать их для диагностики дефектов элементов памяти, что способствует, как оптимизации ее эксплуатационных характеристик, так и увеличению процента выхода годных кристаллов при производстве современных ИМС с внутренней памятью.
-
Предложен способ локализации дефектов контактных областей ячеек памяти методом отображения сопротивления растекания.
-
На основе методики контактной сканирующей емкостной микроскопии разработан способ диагностики дефектов ячеек памяти.
-
Предложен способ исследования деградационных процессов в ячейках памяти на протяжении их жизненного цикла.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Показана возможность диагностики эффектов накопления избыточных основных/неосновных носителей заряда в дефектных элементах хранения энергонезависимой памяти.
-
На основе анализа распределения сигнала, пропорционального дифференциальной емкости, показана возможность диагностики элементов хранения энергонезависимой памяти, подверженных деградационным
процессам, с латеральным разрешением 200 нм, разрешением по уровню заряда -1,6*10-16 Кл.
3. Впервые проведены исследования влияния толщины полупроводника в структуре образца, радиуса кривизны и электрических свойств зонда кантилевера на чувствительность методики КСЕМ. Показана возможность повышения чувствительности измерений.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 9 работах (6 работ в журналах из перечня ВАК). Список публикаций приведен в конце автореферата.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на 25-ой Международной Крымской
конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»,
Международной научно-технической конференции «Фундаментальные
проблемы радиоэлектронного приборостроения» в 2013 и 2015 годах.
Личный вклад автора
Все результаты диссертационной работы, как расчетные, так и экспериментальные, получены автором лично или с его непосредственным определяющим участием; им проведены все научно-исследовательские эксперименты на сканирующем зондовом микроскопе и системе с фокусированным ионным пучком.
Объем и структура работы
Особенности развития рынка запоминающих устройств
В чипах с топологической нормой 65 нм толщина слоя, изолирующего затвор транзистора от канала, сократилась до 1,2 нм, т.е. до 5 атомов. Масштабировать подзатворный изолятор дальше становится невозможным [18].
Транзистор с применением изолятора с высокой диэлектрической проницаемостью и металлическим затвором (High-k Metal Gateransistor)
Чтобы перейти на норму в 45 нм, потребовалось заменить в подзатворном изоляторе диоксид кремния на материал с высокой диэлектрической проницаемостью (High-K), что позволило уменьшить ток утечки. Материалы High-K плохо сочетаются с поликристаллическим кремнием, из которого изготавливался затвор. Для решения проблемы сочетания материалов затвор стали изготавливать из металлического сплава Al и Ti. За счет использования слоя оксинитрида кремния-гафния толщиной 3 нм в технологическом процессе 45 нм удалось уменьшить утечку тока в 200 раз. Сопротивление металлического затвора ниже сопротивления поликристаллического кремния, что ускоряет переключение транзистора [19]. Для борьбы с токами утечки и улучшения подпороговой вольт-амперной характеристики транзистора существуют и другие технологические решения:
Исток и сток вместе с разделяющим их каналом перенесены с кремниевой подложки на слой оксида (Рисунок 1.6(а)). В таких транзисторах наблюдается эффект плавающего напряжения (Floating Body), оказывающий электрическое влияние на инверсионный слой и ухудшающий подпороговую кривую [20].
На схеме транзистора Tri-gate (Рисунок 1.7) видно, что на кремниевой подложке (Silicon Substrate), отделенной от металлического затвора (Gate) слоем изолятора (Oxyde), появилось высокое вертикальное ребро (Silicon Fin-кремниевый плавник). Затвор окружает это ребро с трех сторон. В местах соприкосновения затвора с кремниевым плавником присутствует подзатворный диэлектрик High-K (на схеме обозначен желтым). По обе стороны от затвора в ребре путем легирования создаются исток и сток. Область между ними, вследствие малой толщины ребра, становится полностью обедненной. Фактически такой транзистор можно считать имеющим не один, а три затвора – по бокам и сверху ребра, отсюда и происходит его название Tri-gate.
Преимуществом Tri-gate транзистора является устраненный ток утечки за счет полностью обедненного канала, что приблизило подпороговую характеристику к идеальной и позволило повысить скорость переключения транзистора. Так же возросло, по сравнению с планарным транзистором, поперечное сечение инверсионного слоя (на схеме – красный). Как следствие, транзистор способен пропускать больший ток, или при том же токе уменьшается его плотность вместе с соответствующим током утечки в затвор. В отличие от FDSOI, технология Tri-gate значительно дешевле в производстве – себестоимость транзисторов возрастает всего на 2-3% [22].
Проведен анализ распределения ИС с различными топологическими нормами в общем объёме микроэлектронной продукции по состоянию на 2013 год (Рисунок 1.8) [21].
К концу периода, заявленного ITRS-2013, 2D масштабирование достигнет фундаментальных ограничений. В отношении логики и запоминающих устройств изучают возможность использования вертикального масштабирования (3D), которое реализуется посредством межкремниевых соединений (TSV – Through silicon via) (Рисунок 1.9) [24]. Значительная часть исследований в настоящее время сосредоточена на материалах III-V группы и особенно Ge (Таблица 1.3) [25-27].
Материал Шириназапрещеннойзоны Свойства Область применения Арсенид галлия (GaAs) 1,424 эВ Рабочая частота может превышать 600ГГц Транзисторы,туннельные диоды,светодиоды, лазерныедиоды, фотоприемники Фосфид индия (InP) 1,34 эВ Диэл. проницаемость: статическая-12,5эВ, высокочастотная-9,61эВ Сверхвысокочастотные транзисторы и диоды
Молибденит (MoS2) 1,8 эВ Подвижность носителей заряда в2,5 раза выше, чем в Si.В 100000 раз меньшееэнергопотребление Детекторы, транзисторы Микроэлектроника уже столкнулась с проблемами дальнейшего масштабирования. Это поставило перед учеными задачу по разработке совершенно новых видов транзисторов, которые будут способны дать стимул для дальнейшей миниатюризации электроники и повышению вычислительных мощностей (Таблица 1.4) [28-32].
Особенности Синтез Y-образных трубок Самыйперспективныйвидтранзисторов GaN, AlN,InP, GaAs,InAs, иCdSe,ZnSe,CdS,ZnS иIn2O3,ZnO Подвижность электронов в Ge и инверсионном слое в 2,5 раза выше, чем в Si Построение памяти Перспективные транзисторы:
Разработка новых материалов и перспективных транзисторов становится все более актуальной. ITRS–2013 предлагает два направления развития, которые будут способствовать реализации новых возможностей в микроэлектронике. Первое состоит в расширении функциональных возможностей с помощью интеграции новых технологий, а второе в стимулировании изобретений новых устройств. На сегодняшний день уже созданы прототипы принципиально новых транзисторов и материалов, способных произвести настоящую революцию в микроэлектронике и перевести ее на качественно новый уровень. В тоже время ведущие предприятия находят новые возможности и оригинальные решения, чтобы отодвинуть наступающий предел классической физики. Создаются многослойные ИС, системы на кристалле, многоядерные процессоры и сверхбыстрые многослойные ЗУ.
Одним из самых быстро растущих сегментов рынка микроэлектроники является полупроводниковая память. В 2014 году было произведено рекордное количество изделий полупроводниковой памяти в 34,6 млрд. штук. Flash-память делится на NAND и NOR в соотношении 37% к 3% соответственно (Рисунок 1.10) [17,22,33].
Виды отказов ячеек flash-памяти
По вопросам, связанным с выявлением отказов современных микрочипов, ежегодно проводятся различные тематические конференции, на которых специалисты представляют разработанные ими современные методики выявления механизмов отказов. В свою очередь компании, занимающиеся производством уникального аналитического оборудования, представляют на подобных конференциях оборудование, способное реализовать предложенные методики. Необходимо отметить, что существенное влияние на важнейшие параметры изделий микроэлектроники оказывают процессы, происходящие на атомном и молекулярном уровнях, в микрослоях, микрообъектах и особенно на поверхности твердых тел.
Внедрение новых технологий и уменьшение топологических норм привело к росту числа отказов связанных, в первую очередь, с глубинными физическими процессами на атомарных уровнях. Дефекты такого рода характеризуются сложностью поиска и определения физических механизмов отказов. Для более качественного анализа необходимы следующие данные о продукции: 1. Поверка (показатели производственного процесса, условия хранения). 2. Производственный учет (технологические параметры изготовления пластин, процесс сборки, результаты приемного контроля, сведения о подобных отказах). 3. Сведения об условия эксплуатации (термомеханические стрессы, температура, влажность). 4. Детали отказа (деградация характеристик, сбои, количество отказов)[93,95,97,98].
Анализ отказов не завершится, прежде чем результат проведенного исследования не сможет объяснить нештатный режим работы ИС. С возрастающим качеством производства полупроводниковых изделий методология анализа отказов усложняется в силу усложнения определения физических механизмов приводящих к сбою в работе ИС. Дефекты коррозии верхних слоев металлизации, полости и трещины при корпусировании и соединительные дефекты проводов ввода/вывода встречаются уже довольно редко, а отказы, связанные с физическими эффектами в молекулярных структурах выходят на первый план. Основная методика анализа отказов состоит из нескольких технологических операций (Рисунок 2.7) [93,95,97,98].
Перечень оборудования и применяемых аналитических методик в технологии анализа отказов постоянно растет. Улучшаются характеристики аналитического оборудования, увеличивается разрешающая способность приборов, совершенствуются методики анализа. Так для первичного визуального контроля наряду с оптическими микроскопами активно используют сканирующие электронные микроскопы, с возрастающим количеством встроенных детекторов (вторичных электронов, отраженных электронов), сканирующие акустические микроскопы и рентгеноскопы. Примеры отказов
Для снятия электрофизических характеристик все чаще применяют наноманипуляторы и тестирование электронным пучком. Возросшее число элементов на единицу соединений металлизации затрудняет локализацию дефектов и вынуждает применять как тестирование с обратной стороны, эмиссионными методами с высоким временным разрешением, так и разрушающие методики анализа, такие как реактивное ионное травление, плазмохимическое травление и установки с фокусированным ионным пучком (Таблица 2.3). Таблица 2.3 – Основные методики анализа отказов [93,95,97,98]
Этапы анализа Методика Назначение Наружный визуальный осмотр Стерео микроскопияСканирующая электроннаямикроскопия Визуальный поиск дефекта Оценка электрических характеристик Функциональное тестирование Оценка правильности функционирования электрических цепей Внутренний контроль перед декапсуляцией РентгеноскопияИнфракрасная микроскопияСканирующая акустическаямикроскопия Анализ контактных соединений и контактных площадок Декапсуляция илокализация точкиотказа Реактивное ионно плазменноетравлениеФокусированное ионное травление иосаждение из газовой фазы Послойное препарирование кристаллаИМС Изготовление контактныхплощадок Тестирование наноманипуляторами Определение обрыва внутренней трассировки соединений Тестирование электронным пучком Тестирование лазерным лучом Эмиссионная микроскопия Определение утечки в пленке оксида ир-n переходе или короткого замыкания впроводах Термоэмиссионная микроскопия Физический анализ Просвечивающая электронная микроскопия Исследование нарушений в структуре образца Оже-микроскопия Анализ контаминации и примесей на поверхности Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия Анализ химических связей Вторичная ионная масс-спектроскопия Высокочувствительный анализ примесей Сканирующая зондовая микроскопия Исследование свойств поверхности Электронно-зондовый микроанализ Анализ контаминации и поврежденийметаллизации, элементного составазаданной области
Одну из ключевых ролей в современных ИС играет интегрированная полупроводниковая память. В зависимости от ее объёма, архитектуры и вида построения ячейки во многом определяются функциональные характеристики всего изделия. Если энергозависимая память служит в основном для увеличения скорости обработки информации, то на долю энергонезависимой памяти приходится долгосрочное и надежное хранение данных.
Под надежностью элемента хранения ПЗУ подразумевается способность ячейки памяти удерживать заряд на протяжении определенного промежутка времени и сохранять свои выходные электрофизические характеристики после конкретного числа циклов перезаписи.
Ячейка flash-памяти хранит данные в виде заряда на плавающем затворе. Состояние ячейки памяти определяется значением тока протекающего от истока к стоку. Ток стока зависит от порогового напряжения управляющего затвора, которое является аналоговой функцией заряда, сохраняемого на плавающем затворе. Аналоговые характеристики преобразуются в периферийных цепях. По сути, flash–память – смешанное аналогово-цифровое устройство. Цепи управления – цифровые, остальные схемы такие, как схемы с накачкой заряда, усилители считывания, генерирования напряжения, схемы регулирования – аналоговые. Утечка или переизбыток электронов на плавающем затворе может привести к потере данных. Средняя скорость потери заряда должна быть меньше 1 электрона каждые 10 часов. Ни один другой элемент ИС так не чувствителен к низким уровням диэлектрической утечки (менее 10-23 А) [86,95,98].
Фундаментально надежность ячейки памяти основывается на двух характеристиках: 1. Срок службы – способность ячейки памяти сохранять свои физические характеристики после определенного количества циклов записи/стирания. 2. Срок хранения – способность ячейки памяти сохранять заряд на определенном промежутке времени. Стандартным сроком хранения заряда на flash – памяти принято считать 10 лет [86]. На степень надежности ячейки памяти оказывают влияние дефекты различного рода. Каждый из дефектов вносит свой вклад в деградационные процессы, протекающие в ячейке памяти, что в итоге приводит к изменениям выходных электрофизических характеристик элемента хранения.
Ячейка памяти во время эксплуатации подвергается сильному воздействию электрических полей, что приводит к усилению деградационных процессов. Внешние воздействия, в особенности тепловые и электрические нагрузки, ускоряют деградационные процессы и вызывают генерацию дефектов. В итоге все эти процессы приводят к отказу ИС.
Классификация методик СЗМ
Для снижения степени влияния рельефа поверхности на результат применяется двухпроходная методика. Во время первого прохода оценивается рельеф поверхности. На втором проходе зонд поднимается на некоторое расстояние над поверхностью образца. Сканирование происходит в полуконтактном режиме. Зонд раскачивается на резонансной частоте, при этом между зондом и образцом подается постоянное напряжение смещения. Производится повторное сканирование образца. При проведении сканирования, таким способом, влияние рельефа можно исключить. Вследствие малых размеров зонда, его можно представить в виде точечного электрического заряда. Таким образом, сила, действующая на кантилевер во время второго прохода, имеет вид: где – эффективный электрический заряд кантилевера, – напряженность поля образца в точке нахождения заряда. На втором проходе зонд колеблется на частоте своего механического резонанса. СЗМ регистрирует градиент силы, действующей на кантилевер, который выражается как: где – единичный вектор, направленный по нормали к плоскости кантилевера. Если балка кантилевера параллельна поверхности образца то: Таким образом, ЭСМ позволяет получить данные о распределении заряда на поверхности полупроводника. Локализовать наличие заряда на образце. Метод зонда Кельвина (МЗК)
МЗК позволяет исследовать распределение поверхностного потенциала по образцу. Метод Кельвина является двухпроходной колебательной методикой СЗМ. Во время проведения сканирования зонд раскачивается на частоте своего механического резонанса электрическим полем (Рисунок 3.4). При этом необходимо поддерживать амплитуду колебаний зонда равной нулю за счет изменения постоянного напряжения смещения.
Данные, полученные при измерениях МЗК, позволяют определять участки на поверхности полупроводникового материала, с различной величиной поверхностного потенциала. Это позволяет исследовать полупроводник на предмет наличия нежелательных примесей в его структуре. Так же метод позволяет локализовать внесенный в МДП-структуру заряд.
Сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ) Сканирующая емкостная микроскопия позволяет проводить измерение распределения емкости по образцу. Сканирование осуществляется по двухпроходному колебательному методу (Рисунок 3.5).
Процесс сканирования проходит в два этапа: при первом проходе полуконтактным методом измеряется рельеф поверхности образца, на втором проходе зонд отводится на некоторое расстояние над исследуемой поверхностью.
Между образцом и зондом подается постоянное напряжение смещения и переменное напряжение . Если электрическая емкость системы зонд образец равна , то электрическая энергия, запасенная в конденсаторе равна: при этом сила, с которой зонд будет притягиваться к поверхности, выражается как: При повторном сканировании для увеличения колебаний зонда на второй гармонике частота устанавливается равной половине резонансной частоты. За счет того, что расстояние зонд-образец постоянно, изменение амплитуды колебаний зонда характеризует изменение емкости между зондом и образцом. Метод СЕМ позволяет исследовать локальные диэлектрические свойства приповерхностных областей полупроводников, изучать распределение в полупроводниках легирующих примесей.
Зонд СЗМ с платиновым проводящим покрытием приводится в контакт с поверхностью полупроводника. Полупроводник покрыт тонкой пленкой SiO2. В этом случае система зонд-диэлектрик-полупроводник представляет собой МДП-структуру (Рисунок 3.6). При анализе поверхности производится измерение величины производной емкости системы зонд-диэлектрик-полупроводник по напряжению в выделенной области сканирования.
Методика КСЕМ широко применяется при анализе профилей легирования полупроводниковых структур. На основе измерений КСЕМ возможно построить высокочастотные характеристики, определять области с различными емкостными характеристиками. Метод позволяет различать между собой области p и n диффузии [143]. Метод отображения сопротивления растекания Отображение сопротивления растекания – один из методов контактной атомно-силовой микроскопии.
Методика основана на измерении тока, протекающего между зондом и образцом при подаче напряжения смещения (Рисунок 3.7). При проведении измерений методом отображения сопротивления растекания применяются токопроводящие кантилеверы с покрытием из платины или нитрида титана. Если сопротивление контакта зонд-образец постоянно при сканировании, то ток будет зависеть от локальной проводимости образца.
Метод отображения сопротивления растекания широко применим для определения геометрических размеров областей стока и истока в МДП-транзисторах, локализации переходов. Так же метод можно использовать для исследования причин возникновения отказов ИМС [144-146]. В Главе 1 и Главе 2 продемонстрированы принципы функционирования энергонезависимой памяти на основе хранения заряда и ее возможные отказы. Проведенный анализ существующих методик СЗМ показал ширину спектра их применения в области исследований электрофизических параметров полупроводниковых структур. На основе анализа характеристик существующих методик СЗМ, в работе предложено проводить исследования и выявление отказов ЭНП на основе хранения заряда с использованием методов КСЕМ, МЗК и метода отображения сопротивления растекания.
Возможности применения САПР TCAD для исследования электрофизических параметров элементов хранения энергонезависимой памяти
Проведя исследование результатов моделирования установлено, что разность уровня поверхностного потенциала для ячейки с зарядом 0 Кл и с зарядом –1.4 10-14 Кл составила 100 мВ. Эмпирически установлено, что чувствительность МЗК составляет 16 мВ, следовательно, метод позволит отличить значение поверхностного потенциала для ячеек с различным уровнем хранимого числа электронов в области плавающего затвора. Исследование приповерхностного состояния области ПЗ ЭНП методом зонда Кельвина проведено на образце, подготовленном с применением технологии химико-механической планаризации и жидкостного травления кремния [176] в 80% растворе тетраметил гидроксид аммония в пропаноле (Рисунок 4.12).
Методом зонда Кельвина получен профиль распределения величины поверхностного потенциала двух ячеек ЭНП с заведомо различными, уровнями заряда на плавающем затворе (Рисунок 4.13).
На основе экспериментально полученных данных (Рисунок 4.13) установлено, что разница в величине поверхностного потенциала ячеек с зарядом –1.4 10-14 Кл и 0 Кл составила 60 мВ. Расхождение эмпирических и расчетных результатов может быть обусловлено проведением измерений на воздухе. Значения величин поверхностного потенциала для ячеек с зарядом –1.4 10-14 Кл и 0 Кл составили 300 и 360 мВ соответственно. Обобщая полученные результаты исследования, можно сделать вывод, что сведения о разнице поверхностного потенциала в области под ПЗ позволяют оценить различие уровня заряда помещенного в ПЗ ячеек памяти. При этом опираясь на знание уровня поверхностного потенциала ячеек в стабильном рабочем состоянии можно провести исследование поверхностного потенциала ячеек подверженных явлениям избыточного накопления основных/неосновных носителей заряда. Экспериментально получены уровни поверхностного потенциала ( и ) для двух нефункционирующих ячеек памяти. Их величина составила 281 мВ, =322 мВ. Зная, что уровень поверхностного потенциала для работоспособной ячейки в записанном состоянии равен 300 мВ, можно сделать вывод, что вследствие каких либо причин заряд на ПЗ изменился. Это свидетельствует о подверженности ячеек явлениям избыточного накопления основных/неосновных носителей заряда.
Таким образом, исследование поверхностного потенциала под областью ПЗ методом зонда Кельвина позволяет диагностировать явления самопроизвольного изменения уровня заряда на плавающем затворе ЭНП, способствующие выходу элементов хранения из строя и как следствие неверной интерпретации хранимой информацию.
Исследование влияния количества циклов перепрограммирования на область накопления заряда в плавающем затворе на основе детектирования сигнала, пропорционального дифференциальной емкости Многократное перепрограммирование ячеек энергонезависимой памяти может привести к деградации диэлектрика и границ раздела оксид-полупроводник. Данные явления оказывают влияние на область накопленного заряда в ПЗ ЭНП. Методом контактной сканирующей емкостной микроскопии получено пространственное распределение сигнала для однократно
Для оценки влияния количества циклов перепрограммирования на область накопленного заряда разработано специализированное устройство. Устройство позволяет проводить многократное перепрограммирования внутренней памяти ИМС одинаковой битовой последовательностью, тем самым подвергая воздействию одни и теже ячейки памяти. При этом осуществляется контроль количества циклов перепрограммирования.
С использованием разработанного устройства три образца ИМС были перепрограмированны 50000, 100000 и 200000 раз. При этом после 200000 циклов перепрограммирования образец перестал функционировать.
Анализ полученных результатов показал, что многократное перепрограммирование ячеек ЭНП приводит к существенному изменению области накопленного заряда в ПЗ.
Многократное перепрограммирование энергонезависимой памяти приводит к усилению деградационных процессов в диэлектриках, к росту числа ловушек заряда, усилению туннельного тока и к росту постоянной компоненты тока утечки, что в конечном счете приводит к выходу элементов хранения из строя.
Исследование пространственного распределения сигнала позволяет точно определять границы области накопленного заряда на плавающем затворе и проводить диагностику ячеек, подверженных различным механизмам отказов, связанных с усилением деграда свойств материалов.
Дефекты контактных областей сток/исток элементов хранения ЭНП приводят к выходу ячеек из строя за счет формирования канала утечки и возникновению короткого замыкания между контактами. Как правило, подобного рода дефекты возникают при нарушении технологического процесса производства ИМС. Для локализации и диагностики неисправностей такого рода применяется ряд методик анализа отказов ИМС. К ним относятся: методика пассивного вольт контраста, OBIRCH, OBIC, проводящая АСМ. В работе рассмотрена возможность применения проводящей методики АСМ – метод отображения сопротивления растекания, для исследования дефектов контактных областей ячеек энергонезависимой памяти. В процессе программирования внутренней памяти ИМС были выявлены ячейки, работоспособность которых была нарушена. Внутренняя память интегральной микросхемы представляет собой массив flash-памяти, элементами хранения которой выступают ячейки с расщепленным затвором.
Методом химико-механического полирования кристалл ИМС был утонен до слоя с межуровневыми контактами к областям стока/истока ячеек ЭНП. Зная структуру и принцип организации памяти такого рода, определены типы исследуемых контактов (Рисунок 4.17).