Rappels sur les structures MOS et les dispositifs mémoires

Afin de modéliser les dispositifs composés de transistors de petites dimensions ou des dispositifs plus complexes de type mémoire, il est nécessaire de rappeler le fonctionnement des dispositifs élémentaires tels que les structures MOS (Metal-oxide- semiconducteur) et de définir les paramètres qui serviront au cours de nos études. Nous commencerons ce chapitre par un rappel sur le fonctionnement et la modélisation de la capacité MOS, qui permet une approche simple des phénomènes constituant la physique du transistor MOS. Dans un deuxième temps, nous rappellerons les principales étapes de calculs, les hypothèses et les approximations qui mènent aux modèles couramment utilisés pour le transistor MOS. Enfin, une troisième partie constituera une introduction aux mémoires à grille flottante et plus particulièrement aux mémoires à piégeage discret. La polarisation de la capacité par une tension VGB, entre la grille métallique et le substrat, implique l’apparition d’une charge QG dans la grille et d’une charge opposée QSC dans le semiconducteur. La variation de la tension VGB modifie la valeur de ces charges, ce qui a pour conséquence les changements de régimes de fonctionnement de la capacité. La figure (I.2) présente les différents diagrammes de bandes du semiconducteur d’une capacité de type P en fonction de la tension VGB. Exprimons, à présent, la charge du semiconducteur QSC. Celle-ci est déterminée à partir de la résolution de l’équation de Poisson, puis de l’utilisation du théorème de Gauss. Considérons NA la concentration en atomes accepteurs ionisés (et respectivement ND la concentration en atomes donneurs ionisés), à une dimension, pour une capacité de type P dont la concentration NA est uniforme, l’équation de Poisson se résout simplement. Cette équation de Poisson relie la courbure des bandes du semiconducteur, Ψ(y), à la densité de charges, ρ(y) :

Jusqu’à présent, les capacités modélisées possédaient une grille métallique (ou en poly-silicium dégénéré) ; cependant il existe des capacités dont la grille est constituée de semiconducteur non dégénéré : les capacités SOS (pour Semiconducteur-Oxide- Semiconducteur). Comme le montre la figure (I.3.a), la non dégénérescence de la grille induit une courbure des bandes d’énergie du poly-silicium près de son interface avec l’isolant. Cette courbure varie avec la polarisation de grille rendant ainsi possible l’existence des différents régimes d’un semiconducteur : accumulation, désertion, inversion faible et inversion forte. Cependant en raison des faibles niveaux de dopage de la grille (mais encore relativement forts par rapport à ceux du substrat), il est plus probable de trouver les régimes d’accumulation et de désertion, ce dernier correspondant à ce que l’on nomme usuellement la poly-désertion (ou poly-déplétion). D’un point de vue capacitif, ce phénomène parasite s’assimile à l’apparition d’une capacité, CG, en série avec la capacité MOS (avec un vrai métal de grille) comme l’indique la figure (I.3.b). Cela conduit à une extraction imprécise de l’épaisseur de l’oxyde de grille à partir des courbes C-V, puisque la chute de la capacité du dispositif peut être exprimée comme une augmentation de l’épaisseur de l’oxyde de grille [Huang’93]. L’effet tunnel est un mécanisme quantique qui permet à un électron de traverser une barrière énergétique. Le mécanisme de conduction Fowler-Nordheim (FN) a été expliqué pour la première fois par Fowler et Nordheim en 1928 [Fowler-Nordheim’28] dans le cas d’émission d’électrons d’un métal dans le vide. Dans ces conditions, la barrière énergétique vue par les électrons est de forme triangulaire et les électrons peuvent la traverser par effet tunnel en se déplaçant de la bande de conduction de la cathode vers la bande de conduction de l’isolant. Cette conduction apparaît pour des structures soumises à de forts champs électriques. Il faut également préciser que les oscillations observables sur la caractéristique I-V d’une structure MIS sont dues à des effets d’interférences et de réflexions des charges aux frontières de l’isolant. La présence de charges dans l’isolant peut limiter le passage par effet tunnel dans l’isolant de la même façon qu’une zone de déplétion.Le transistor MOS (ou MOSFET pour transistor Métal-Oxyde-Semiconducteur à effet de champ) à canal N est un dispositif quadripolaire constitué d’une électrode de grille (G), de source (S), de drain (D) et de substrat (B) (cf. Fig. (I.6)). La longueur du transistor, notée L, correspond à la longueur de sa grille et sa largeur est notée W. La structure du transistor étant identique selon sa largeur, on le représente communément dans le plan (x,y). Nous considèrerons par la suite un transistor à canal surfacique, c’est- à-dire dont la conduction est assurée par les porteurs minoritaires du substrat (électrons dans le cas d’un NMOSFET), à l’interface entre le diélectrique de grille et le substrat.