Radiation Induced Charge Trapping in Ultrathin ${\rm HfO}_{2}$-Based MOSFETs

Abstract

Radiation induced charge trapping in ultrathinHfO 2 -based n-channel MOSFETs is characterized as a function of dielectric thickness and irradiation bias following exposure to 10 keV X-rays and/or constant voltage stress. Positive and negative oxide-trap charges are observed, depending on irradiation and bias stress conditions. No significant interface-trap buildup is found in these devices under these irradiation and stress conditions. Enhanced oxide-charge trapping occurs in some cases for simultaneous application of constant voltage stress and irradiation, relative to either type of stress applied separately. Room temperature annealing at positive bias after irradiation of transistors with thicker gate dielectric films leads to positive oxide-trapped charge annihilation and/or neutralization in these devices, and net electron trapping. The oxide thickness dependence of the radiation response confirms the extreme radiation tolerance of thin HfO 2 dielectric layers of relevance to device applications, and suggests that hole traps in the thicker layers are located in the bulk of the dielectric. A revised methodology is developed to estimate the net effective charge trapping efficiency, , for high-dielectric films. As a result, estimates of for Hf silicate capacitors and Al 2 O 3 transistors in previous work are reduced by up to 18%.Index Terms-Constant-voltage-stress (CVS), Hafnium oxide (HfO 2 ), high-, metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistors (MOSFETs), radiation damage, recovery, ultrathin, X-ray.

How a Quantum Chemical Topology Analysis Enables Prediction of Electron Density Transfers in Chemical Reactions. The Degenerated Cope Rearrangement of Semibullvalene

“…21 Additionally, HfO 2 has recently been used to replace the SiO 2 gate dielectric due to its high dielectric constant in order to further miniaturize microelectronic components in metal oxides semiconductors. 22,23 TiO 2 , ZrO 2 , and HfO 2 oxides have also been utilized to catalyze the aromatization of C 6+ alkanes. 20 While chemical reactions of the bare transition metal oxide cations with H 2 have received a significant interest, [24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37] neutral metal oxides have gained much less attention.…”

Effects of biased irradiation on charge trapping in HfO2 dielectric thin films

“…Using this method of fabrication, the EOT of the HfO 2 thin film was ~4.7 nm which is thicker than that of most commercial interest. However, such a thickness would lead to significant radiation response which is more evident for investigation of the failure mechanism of hafnium oxide in space environment [13].…”

TCAD Simulation of Dose Radiation Effects in Sub-100 nm High-k MOSFET Structures

“…В структуре МОП-транзистора с high-k диэлектриком концентрация радиационно-индуцированных ловушек  trap имеет две составляющие: объемную в подзатворном слое HfO 2 (ловушечные центры для электронов и дырок) и SiO 2 (ловушечные центры для дырок), а также в слое SiO 2 мелкой щелевой боковой изоляции (ловушечные цен-тры для дырок); поверхностную на границах раздела HfO 2 /Si, HfO 2 /SiO 2 и SiO 2 /Si. На рис.4 для объемной и поверхностной концентрации ловушек приведены дозовые зави-симости, построенные на основании экспериментальных данных работ [22,23,[26][27][28][29][30]. Эти зависимости аппроксимированы аналитическими функциями и введены в систему TCAD Sentaurus Synopsys.…”

“…Основным механизмом, обусловливающим такой сдвиг порогового напряже-ния, является накопление заряда в объеме HfO 2 -диэлектрика. Представленные резуль-таты моделирования на рис.5 хорошо согласуются с экспериментальными данными ра-боты [28]. В случаях, если облучение приборов проводится при положительном или отрицательном напряжении на затворе (например, U ЗИ = +2 В или -2 В), модель для ΔN ot (см.…”

“…Радиационно-индуцированный сдвиг порогового напряжения оказался незначительным для структу-ры с SiO 2 (рис.6,а), а в случае HfO 2 сдвиг оказался значительным (рис.6,б). Эти резуль-таты согласуются с экспериментальными данными, полученными в работах [7,28] для МОП-транзисторов, изготовленных с проектными нормами 32, 45 и 65 нм. Основным фактором, вызывающим радиационно-индуцированный сдвиг порогового напряжения, является накопление заряда в слое HfO 2 .…”