Degradación y conducción multifilamentaria en estructuras MIS/MIM basadas en HfO2

Abstract

En aquesta tesi doctoral es realitza una extensa investigació sobre el fenomen de la ruptura dielèctrica en dispositius metall-aïllant-semiconductor (MIS) i metall-aïllant-metall (MIM) basats en HfO2. Més específicament, s’han estudiat dispositius MIS/MIM amb HfO2 com a dielèctric i dispositius MIS dielèctric dels quals es un penta-nanolaminat composat per capes interposades de HfO2 i de Al2O3. Al llarg dels quatre extensos capítols que formen aquesta tesi, més un últim capítol conclusiu, s’ha realitzat un exhaustiu estudi de la ruptura dielèctrica des de punts de vista completament diferents. Iniciant per un capítol introductori al fenomen de la ruptura dielèctrica, en el que s’exposa els aspectes generals a tenir en compte, cadascun dels tres capítols experimentals posteriors giren al voltant d’un efecte particular d’aquest fenomen. A la vegada, només s’avalua un tipo de dispositiu en cada capítol. Inicialment, utilitzant les estructures MIS basades en HfO2, es realitza un anàlisis en profunditat dels canvis estructurals induïts en la intercara metall-aïllant dels dispositius degut a la ruptura dielèctrica. Per a fer-ho, en aquest capítol es recorren a poderoses tècniques de caracterització física como el microscopi electrònic de rastreig, el microscopi de forces atòmiques o la espectrometria de dispersió de energia de raigs X. A la vegada, es realitza un estudi sobre els efectes de la commutació resistiva en els canvis induïts en els dispositius. En el següent capítol, utilitzant les estructures MIS basades en HfO2/Al2O3, es realitza un anàlisis de la estadística de la ruptura dielèctrica dependent del temps, així com dels esdeveniments de ruptura successius. Utilitzant un gran arsenal de models i tècniques estadístiques, s’aconsegueix reproduir les tendències experimentals el quals no son reproduïbles amb el model de Weibull, indicació d’una ruptura dielèctrica no homogènia. A la vegada, es proporciona una hipòtesis que permet explicar el comportament observat. Seguidament, en l’últim capítol experimental, es realitza un anàlisis exhaustiu i extens de la estadística espacial dels esdeveniments de ruptura mitjançant els dispositius MIM basats en HfO2. Utilitzant aquestes tècniques, s’aconsegueix avaluar la correlació entre els esdeveniments de ruptura, així com la que existeix entre la localització i la mida dels esdeveniments. Finalment, en el capítol conclusiu es presenten tant les conclusions més rellevants de la investigació realitzada com una valoració dels possibles nous estudis que s’originen d’aquest treball.

En esta tesis doctoral se realiza una extensa investigación sobre el fenómeno de la ruptura dieléctrica en dispositivos metal-aislante-semiconductor (MIS) y metal-aislante-metal (MIM) basados en HfO2. Más específicamente, se han estudiado dispositivos MIS/MIM con HfO2 como dieléctrico y dispositivos MIS cuyo dieléctrico es un penta-nanolaminado compuesto por capas interpuestas de HfO2 y de Al2O3. A lo largo de los cuatro extensos capítulos que conforman esta tesis, más un último capítulo conclusivo, se ha realizado un exhaustivo estudio de la ruptura dieléctrica desde puntos de vista completamente diferentes. Empezando por un capítulo introductorio al fenómeno de la ruptura dieléctrica, en el que se exponen los aspectos generales a tener en consideración, cada uno de los tres capítulos experimentales posteriores giran en torno a un efecto particular de este fenómeno. A su vez, solo se evalúa un tipo de dispositivo en cada capítulo. Inicialmente, utilizando las estructuras MIS basadas en HfO2, se realiza un análisis en profundidad de los cambios estructurales inducidos en la intercara metal-aislante de los dispositivos debido a la ruptura dieléctrica. Para ello, en este capítulo se recurren a poderosas técnicas de caracterización física como el microscopio electrónico de barrido, el microscopio de fuerzas atómicas o la espectrometría de dispersión de energía de rayos X. A su vez, se realiza un estudio sobre los efectos de la conmutación resistiva en los cambios inducidos en los dispositivos. En el siguiente capítulo, utilizando las estructuras MIS basadas en HfO2/Al2O3, se realiza un análisis de la estadística de la ruptura dieléctrica dependiente del tiempo, así como de los eventos de ruptura sucesivos. Utilizando un gran arsenal de modelos y técnicas estadísticas, se consigue reproducir las tendencias experimentales las cuales no son reproducibles con el modelo de Weibull, indicación de una ruptura dieléctrica no homogénea. A su vez, se proporciona una hipótesis que permite explicar el comportamiento observado. Seguidamente, en el último capítulo experimental, se realiza un análisis exhaustivo y extenso de la estadística espacial de los eventos de ruptura a través de los dispositivos MIM basados en HfO2. Utilizando estas técnicas, se consigue evaluar la correlación entre los eventos de ruptura, así como la que hay entre la localización y el tamaño de los eventos. Finalmente, en el capítulo conclusivo se presentan tanto las conclusiones más relevantes de la investigación realizada como una valoración de los posibles nuevos estudios que se originan de este trabajo.

In this doctoral thesis the dielectric breakdown (BD) phenomenon in metal-insulator-semiconductor (MIS) and metal-insulator-metal (MIM) structures based on HfO2 is investigated. More specifically, the analyzed devices are MIS/MIM devices with HfO2 as dielectric and MIS devices with a penta-nanolaminate as dielectric based on Al2O3/HfO2. Throughout the four long chapters that make up this thesis, plus a final conclusive chapter, an exhaustive study of the BD phenomenon has been carried out from completely different points of view. Starting with an introductory chapter to the BD, where the general aspects of this phenomenon are explained, each of the three subsequent experimental chapters revolve around an aspect of this phenomenon. In fact, in each chapter a different type of device is evaluated. Initially, the structural changes induced in the metal-insulator interface of the HfO2-based MIS devices due to the BD are analyzed. This is performed by using powerful physical characterization techniques such as the scanning electron microscope, the atomic force microscope and the energy dispersive X-ray spectroscopy. Moreover, the effects that resistive switching mechanism has on the physical changes induced in the devices after the BD are also evaluated. In the next chapter, the time dependent dielectric breakdown is analyzed in the MIS structures based on Al2O3/HfO2. Using different models and statistical techniques, the successive dielectric breakdown statistics of these devices is evaluated. In this case, the devices shown a non-homogenous time distribution i.e. it cannot be reproduced by the Weibull model. Then, in the last experimental chapter, the spatial statistics of the BD events is evaluated in MIM devices based on HfO2. Using the spatial statistic techniques and methods, it is possible to evaluate the correlation between the BD events, as well as the correlation between their location and their size. Finally, the concluding chapter presents the most relevant conclusions of this research as well as the possible new studies that originate from this work.