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

Resumen

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.