Filamentos conductores de ruptura dieléctrica en aislantes delgados

Abstract

La industria micro y nanoelectrónica requiere de múltiples líneas de investigación para la introducción de continuas mejoras en los dispositivos en términos de rendimiento, funcionalidad y escalabilidad. Una de estas mejoras se centra en la idea de utilizar el fenómeno de la ruptura dieléctrica como principio de operación de dispositivos electrónicos. Esta idea ha generado mucho interés recientemente, especialmente en el campo de las memorias no volátiles. Así, la investigación realizada a lo largo de esta tesis doctoral gira en torno a la ruptura dieléctrica de óxidos de alta permitividad y la posterior conducción filamentaria observada en capacidades metal-aislante-semiconductor (MOS) y metal-aislante-metal (MIM). En concreto, este trabajo se ha centrado en el estudio de tres principales objetivos que han concluido con la publicación de varios artículos, los cuales han permitido presentar esta tesis como compendio de publicaciones. Por un lado, se muestran los resultados del estudio realizado en relación con el fenómeno de conmutación resistiva observado en capacidades MOS, poniendo especial interés en el fenómeno de Threshold Switching el cual ha sido analizado en términos del modelo de contacto puntual cuántico. Por otro lado, se describen los resultados obtenidos en relación con el estudio y exploración del efecto de campo sobre caminos de ruptura dieléctrica generados en estructuras MIM planares. Para ello se ha realizado el diseño, simulación, fabricación y caracterización de varios dispositivos específicos cuyas dimensiones críticas son del orden de pocos nanómetros. De la caracterización de estas estructuras se han obtenido resultados que muestran indicios del efecto de campo sobre dichos caminos. Por último, se analiza la estadística espacial y temporal de múltiples caminos de ruptura observados en el electrodo superior de capacidades MOS y MIM obtenidos a partir del estrés eléctrico aplicado sobre las mismas. En este sentido, se han desarrollado tres métodos de análisis de distribuciones estadísticas para detectar posibles desviaciones respecto a un proceso aleatorio espacial completo: el primero basado en las distancias entre filamentos vecinos de orden k; el segundo relacionado con la caracterización espacio-temporal de los filamentos; y por último un método en el que se han desarrollado expresiones para el estudio de las distribuciones estadísticas de las distancias y ángulos de los spots en relación a un punto fijo asociado a la punta de inyección de carga utilizada para la generación de los eventos.

Micro and nanoelectronics industry requires multiple lines of research for introducing continuous improvements in electronic devices in terms of performance, functionality and scalability. One of these improvements focuses on the idea of using the dielectric breakdown phenomenon as a principle of operation of these devices. This idea has generated much interest recently, especially in the field of non-volatile memories. Thus, the research done in this thesis focuses its attention around the dielectric breakdown phenomena and the subsequent filamentary conduction observed in metal-oxide-semiconductor (MOS) and metal-insulator-metal (MIM) devices with high dielectric permittivity. Specifically, this work focuses on the study of three main objectives which have resulted in the publication of several articles and this has allowed presenting the thesis as a compendium of publications. The study shows results in relation to the resistive switching phenomenon observed in MOS devices, with particular interest in the phenomenon of Threshold Switching described in terms of the quantum point contact model. Furthermore, results regarding the study of the field-effect on dielectric breakdown paths generated in planar MIM structures are also described. With this goal, it is shown the design, simulation, fabrication and characterization of several devices whose critical dimensions are in the order of a few nanometers. The characterization of these structures shows preliminary results that point in the direction of the expected field effect. Finally, the spatial and temporal statistics of multiple breakdown paths, observed in the top electrode of MOS and MIM capacitors as a result of the applied electrical stress, is analyzed. Three methods were developed to analyze statistical distributions for detecting possible deviations from a complete spatial random process. One is based on the distances between neighboring filaments of order k; the second one concerns the spatio-temporal characterization of the observed filaments; and finally a method is presented, in which expressions have been developed, for the study of the statistical distributions of the distances and angles of the spots relative to a fixed point, which is associated with the charge injection point used in the generation of events.