PHENOMENES DE DEGRADATION DE TYPENEGATIVE BIAS TEMPERATURE INSTABILITY (NBTI)

PHENOMENES DE DEGRADATION DE TYPENEGATIVE BIAS TEMPERATURE INSTABILITY (NBTI)

Conduction à travers l’oxyde de grille

La réduction de l’épaisseur de l’oxyde de grille permet aux porteurs de charge de traverser la couche isolante. La mécanique quantique prévoit ce genre de phénomène sous le nom de courant tunnel à travers une barrière de potentiel.

Mécanismes de conduction à travers l’oxyde

La conduction à travers l’oxyde peut être généralisée sous 5 mécanismes différents. Figure 1–5 : Diagramme de bande d’énergie de la structure MOS représentant (1) la conduction thermoïonique, (2) la conduction Poole-Frenkel, (3) la conduction tunnel direct, (4) la conduction par saut et (5) la conduction tunnel Fowler-Nordheim [22] Introduction à la fiabilité des transistors MOSFETs sous contrainte NBT -23- La conduction thermoïonique (1) Le porteur a une énergie suffisante pour être injecté dans la bande de conduction de l’oxyde. Le porteur passe à travers l’oxyde par conduction thermoïonique. Cette conduction est également appelée conduction par effet Schottky. Une formulation analytique a été proposée par Richardson-Schottky en 1986 [23]. La conduction Poole-Frenkel (2) La conduction Poole-Frenkel est une conduction de piège à piège. L’énergie du porteur étant suffisante pour passer d’un piège à l’autre (conduction thermoïonique locale) La conduction tunnel direct (3) La conduction tunnel directe est un passage d’un porteur d’une électrode à l’autre à travers une barrière de potentiel trapézoïdale. La conduction par saut (Hopping) (4) Lorsque l’énergie de l’électron est inférieure au maximum de la barrière énergétique entre deux pièges, il y a conduction par saut (hopping). Dans ce cas, la conduction entre les deux pièges se fait par conduction tunnel directe. La conduction tunnel Fowler-Nordheim (5) La conduction tunnel Fowler-Nordheim est un passage d’un porteur d’une électrode à l’autre à travers l’oxyde rendue triangulaire dans l’oxyde par la tension appliquée.

Cas particulier de la conduction tunnel Direct

Le courant tunnel dépend de la distribution énergétique des porteurs susceptibles de traverser l’oxyde, donnée par la fonction de Fermi Dirac f(E) et de la transparence T(E) qui correspond à la probabilité qu’un porteur d’une énergie E traverse la barrière énergétique de l’oxyde Le courant TD croit exponentiellement avec la réduction de l’épaisseur de l’oxyde et le champ électrique dans l’oxyde (FOX). Pour un même champ électrique, le courant direct tunnel est suffisamment important dans les dispositifs à oxyde mince de 2nm alors qu’il n’est pas détectable pour des oxydes plus épais de 6.5nm. Introduction à la fiabilité des transistors MOSFETs sous contrainte NBT

Conduction à travers l’oxyde de grille dans les différentes configurations

La nature du courant TD dépend du type de porteurs injectés et donc du type de transistor, du sens de polarisation à travers l’oxyde, ainsi que de l’amplitude de la polarisation. Les quatre modes de polarisation sont représentés sur la Figure 1–6. Pour une épaisseur TOX=2nm. PMOS NMOS VG<0V VG>0V Electrons Trous HVB EVB ECB ISUB HVB ECB grille p+ oxyde substrat grille n+ oxyde substrat PMOS NMOS VG<0V VG>0V Electrons Trous HVB EVB ECB ISUB HVB ECB grille p+ oxyde substrat grille n+ oxyde substrat Figure 1–6 Conduction à travers l’oxyde pour les 4 configurations de polarisation avec TOX=2nm [26] Le courant de grille dans le PMOS : • En inversion (VG<0), le courant de grille IG est composé : o D’un courant TD (tunnel direct) de trous de la couche d’inversion vers la grille (HVB pour Hole Valence Band) o D’un courant TD d’électrons de la bande de valence de la grille polysilicium vers le substrat (EVB pour Electron Valence Band) o D’un courant TD d’électrons (Fowler-Nordheim pour des forts VG) de la bande de conduction de la grille vers le substrat (ECB pour Conduction Band) Il est à noter que les proportions de ces courants sont dépendantes de la valeur de polarisation comme illustré sur la figure suivante pou le cas du PMOS en inversion : Le courant de grille IG est l’accumulation de tous les courants. En utilisant la technique de séparation de porteurs, nous montrons que le courant de trous HVB est la conduction dominante jusqu’à -1.7V. Pour des tensions plus fortes, le courant d’électron EVB devient la conduction principale. Ici, la tension n’est pas suffisamment élevée pour faire apparaître le courant d’électron ECB • En accumulation (VG>0), le courant de grille IG est composé : o D’un courant TD d’électrons de la couche d’accumulation du substrat vers la bande de conduction de la grille (ECB) o D’un courant TD de trous de la bande de valence de la grille vers la bande de valence du substrat (HVB) Le courant de grille dans le NMOS : • En accumulation (VG<0), le courant de grille IG est composé : o D’un courant TD d’électrons de la bande de conduction de la grille vers la bande de conduction du substrat (ECB) o D’un courant TD d’électrons de la bande de valence de la grille vers la bande de conduction du substrat (EVB) o D’un courant TD de trous de la bande de valence du substrat vers la bande de valence de la grille (HVB) • En inversion (VG>0), le courant de grille IG est composé : o D’un courant TD d’électron de la couche d’inversion du substrat vers la bande de conduction de la grille (ECB)

Table des matières

REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIERES
TABLE DES SYMBOLES
TABLE DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION GENERALE
Contexte actuel
Sujet de Thèse
CHAPITRE 1. INTRODUCTION A LA FIABILITE DES TRANSISTORS MOSFETS
SOUS CONTRAINTE NBT
1.1 Introduction
1.2 Le transistor MOSFET
1.2.1 La structure du transistor MOS
1.2.2 Diagramme de bande d’énergie du transistor
1.2.3 Conduction électrique entre la source et le drain
1.2.4 Conduction à travers l’oxyde de grille
1.3 Negative Bias Temperature Instability: NBTI
1.3.1 La contrainte NBT
1.3.2 Historique du NBTI
1.3.3 Dérive des paramètres électriques sous une contrainte NBT
1.3.4 Le NBTI parmi les principaux modes de défaillance
1.3.5 Définition du NBTI
1.4 La fiabilité NBTI et l’accélération du vieillissement
1.4.1 Définitions
1.4.2 Accélération du NBTI et extrapolation de la TTF
1.5 Conclusions
CHAPITRE 2. GENERATION DES ETATS D’INTERFACE SOUS CONTRAINTE
NBT
-vi2.1 Introduction
2.2 L’interface SiO2/Si
2.2.1 L’oxydation du substrat
2.2.2 Propriétés physico-chimiques de l’interface Si-SiO2
2.3 Caractérisation de la génération de défauts à l’interface SiO2/Si et leurs effets sur les paramètres électriques
2.3.1 Le Pompage de charges 2 niveaux
2.3.2 La caractéristique DC-IV
2.3.3 ESR (Electron-Spin Resonance)
2.3.4 Effet sur la tension de seuil VT
2.3.5 Effet sur la tension Vmid-gap
2.3.6 Effet sur la pente sous le seuil
2.3.7 Effet sur la mobilité
2.4 Les modèles de Réaction – Diffusion
2.4.1 Description
2.4.2 Formulation
2.4.3 Extension du modèle R-D
2.4.4 Limites du modèle R-D
2.5 Proposition d’un nouveau modèle de génération de défaut à l’interface SiO2/Si
2.6 Conclusions
CHAPITRE 3. GENERATION DE CHARGES FIXES ET PIEGEAGE DE TROUS
3.1 Introduction
3.2 Mise en évidence d’une dégradation supplémentaire au NIT
3.3 Génération de charges fixes
3.3.1 Modélisation de la génération de charges fixes dans l’oxyde
3.3.2 Mise en évidence des charges fixes
3.4 Piégeage/Dépiégeage de trous dans l’oxyde
3.4.1 Nature des pièges
3.4.2 Piégeage/Dépiégeage de trous dans l’oxyde
3.5 Conclusions
CHAPITRE 4. LA TECHNIQUE « ON-THE-FLY »
-vii4.1 Introduction
4.2 Le phénomène d’autoguérison
4.3 Philosophie et protocole expérimental de la mesure « on-the-fly »
4.3.1 Philosophie de la caractérisation à la volée
4.3.2 Equipements et Protocole
4.4 Extraction de la dérive des paramètres physiques et électriques
4.4.1 Extraction des paramètres physiques
4.4.2 Extraction basée sur le modèle SPICE 3
4.5 Vérification théorique de la caractérisation à la volée
4.5.1 Simulation de la dégradation
4.5.2 Application d’un bruit sur les paramètres électriques.
4.6 Etude du NBTI et de sa relaxation avec la technique on-the-fly
4.7 Comparaison entre la technique on-the-fly et la caractérisation classique
4.8 Conclusions
CHAPITRE 5. ETUDE DES EFFETS DES PROCEDES DE FABRICATION ET DES MATERIAUX
5.1 Introduction
5.2 Evaluation des effets NBTI
5.3 Du substrat à l’oxyde de grille
5.3.1 L’orientation du substrat
5.3.2 Les zones actives et les isolations
5.3.3 Les implantations et les ajustements de la tension de seuil
5.4 L’oxyde de grille
5.4.1 Influence de la technique d’oxydation
5.4.2 L’épaisseur de l’oxyde de grille
5.4.3 L’effet du chlore pendant la première oxydation de grille
5.4.4 L’effet de l’azote dans l’oxyde de grille
5.5 La grille et le dopage source/drain
5.6 Evolution des procédés de fabrication
5.6.1 Le charging
5.6.2 L’avantage du deutérium ?
-viii5.6.3 Diélectrique à forte permittivité : High-k
5.7 Conclusions
CHAPITRE 6. PERSPECTIVES ET NOUVEAUX DEFIS DU NBTI DANS LES TECHNOLOGIES AVANCEES
6.1 Introduction
6.2 Proposition d’un modèle physique
6.3 Nouvelle méthodologie de qualification du NBTI dans les prochaines filières technologiques
6.3.1 Cas du NBTI quasi-statique : DC NBTI
6.3.2 Le cas du NBTI dynamique (AC NBTI)
6.4 L’effet du NBTI dans les circuits
6.4.1 Application numérique : L’inverseur CMOS
6.4.2 Applications analogiques : Comparateur/Amplificateur opérationnel à 2 étages
6.4.3 Circuit RF : (le paramètre S)
6.4.4 La SRAM
6.4.5 Comparaison entre le NBTI et le PBTI dans les circuits
6.5 Proposition d’asservissement du NBTI dans les circuits
6.5.1 Présentation du principe d’asservissement
6.5.2 Exemple de solution
6.5.3 Evaluation de la cellule
6.6 Véhicule de test
6.7 Conclusions
CONCLUSION GENERALE
LISTES DES TABLEAUX
LISTES DES FIGURES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
BIBLIOGRAPHIE PERSONNELLE
MICROELECTRONICS ENGINEERING
ANNEXE A
ANNEXE B