Реферат
к циклу работ , , C. H. Cheng, A. Chin
Механизмы транспорта в оксиде и суб-оксидах гафния
В настоящее время диэлектрические плёнки оксида гафния HfO2 с высокой диэлектрической проницаемостью (high-к диэлектрики) активно заменяют SiO2 в элементах кремниевой микро - наноэлектроники. Использование high-к диэлектриков вместо SiO2 открывает возможность дальнейшего масштабирования МДП транзисторов и конденсаторов ДОЗУ. Также HfO2 интенсивно изучается для разработки энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом (ReRAM), сочетающей в себе высокую скорость операций чтения/записи, большое количество циклов перезаписи (>1012), радиационную стойкость. Легированные плёнки нанометровых толщин HfO2 проявляют ферроэлектрические (сегнетоэлектрические) свойства. Это явление открывает возможность создания универсальной памяти на основе ферроэлектрического эффекта переключения (FeRAM).
Плёнки HfO2 всегда имеют высокую концентрацию ловушек, которые играют разную роль в кремниевых приборах. Если HfO2 используется в качестве подзатворного диэлектрика в МДП транзисторе и качестве туннельного и блокирующего слоя в элементах флэш памяти, наличие ловушек приводит к деградации приборов. В FeRAM время хранения информации определяется скоростью процессов деполяризации. На сегодняшний день активно обсуждается гипотеза о том, что деполяризация вызвана токами утечки через дефекты кристаллической решётки, выступающих в роли ловушек для электронов и дырок. При использовании HfO2 в качестве запоминающей среды в элементах флэш памяти для обеспечения большого окна памяти диэлектрик должен иметь высокую концентрацию ловушек. Наибольшее распространение получила гипотеза о том, что обратимое переключение ReRAM, в частности, на основе HfO2, вызвано генерацией вакансий кислорода.
В представляемых работах были изучены механизмы транспорта заряда в МДП и МДМ (ReRAM) структурах на основе HfO2. Диэлектрические плёнки толщиной 8-20 нм изготавливались методами атомно-слоевого осаждения (ALD) и физического перепыления мишени (PVD). Для транспортных измерений наносились Ni контакты.
Установлено, что транспорт в HfO2 описывается фонон-облегчённым туннелированием между ловушками, а не механизмом Френкеля, как это было принято ранее. Определённы термическая и оптическая энергии ловушек. Равенство термической энергии ловушки 1,25 эВ половине Стоксовского сдвига, соответствующего люминесценции вакансии кислорода, и близость экспериментально определённой оптической энергии ловушки к значению, рассчитанному из первых принципов, однозначно указывают на то, что именно вакансии кислорода являются ловушками для электронов и/или дырок в процессах переноса заряда в HfO2. Для описания транспорта в низкоомном состоянии элемента ReRAM предложена модель нестехиометрических суб-оксидов HfOx (x<2). В такой электронной системе транспорт описывается теорией протекания Эфроса-Шкловского.
