Contribution à l'étude de la dégradation de films minces et ultra-minces de SiO2 de structures MOS soumises à des contraintes électriques et à la caractérisation par spectroscopie tunnel inélastique de jonction Al-SiO2-Si
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Abstract EN:
More the integrated circuit density increases , more the transistor size (channel length and width, gate oxide thickness) decreases. Below 3nm oxide thicknesses, the current in depletion regime becomes measurable and increases after electrical stresses. The increase of this current, called LVSILC (Low Voltage Stress Induced Leakage Current), does not affect the device and circuit functionality because it is observed in depletion or weak inversion regimes and not at usual operating voltages, but it can be used to monitor the oxide degradation and to predict the charge to breakdown. We have realized an experimental data base on the LVSILC evolution, with stress voltages and temperatures, for various oxide thicknesses and in P and N-MOSFETs. This allow us to predict the device lifetime, and to show that the degradation mechanism is more probably linked to hydrogen release from the interface than to anode hole injection. We have also tried to realized a physical characterisation by inelastic electron tunnel spectroscopy (IETS). This work allow us to identify both electrode (substrate and gate) and gate oxide phonon modes. We have also identified the vibratory modes of some defects or impurities induced in the gate oxide during the fabrication process
Abstract FR:
Plus les circuits sont devenus denses, plus les dimensions des transistors (largeur, longueur du canal, épaisseur de l'oxyde) se sont réduites et plus les problèmes de fiabilité de l'oxyde de grille deviennent importants. Dans les épaisseurs inférieures à 3nm, le courant en régime de déplétion devient mesurable et augmente après des contraintes électriques. L'augmentation de ce courant que nous avons appelé LVSILC (Low Voltage Stress Induced Leakage Current), n'affecte pas le fonctionnement des circuits car elle intervient seulement en régime de déplétion ou de faible inversion et non en leur point de polarisation usuel, mais elle permet de suivre la dégradation de l'oxyde et de prévoir la charge injectée qui provoquera le claquage de l'oxyde. Nos mesures montrent que le LVSILC est important jusqu'à au moins des épaisseurs de 1. 2nm. Nous avons constitué une base de données expérimentales sur l'évolution du LVSILC, dans les P et NMOSFET, en fonction de la tension et de la température de contrainte, pour différentes épaisseurs d'oxyde. Ceci nous a permis prédire la durée de vie des composants, en extrapolant ces données vers les conditions normales d'utilisation et de montrer que le mécanisme de dégradation est plus probablement lié à la libération d'espèces hydrogénés aux interface qu'à l'injection de trous créés dans l'anode par ionisation par impact. Nous avons également essayé de réaliser une caractérisation physique de l'oxyde par spectroscopie tunnel inélastique de jonction tunnel (IETS). Ce travail nous a permis d'identifier les différents modes phonons des électrodes (substrat, grille) ainsi que ceux de l'oxyde de grille. Nous avons pu également identifier les modes vibratoires de certains défauts ou certaines impuretés présentes dans l'oxyde de grille et induites lors du procédé de fabrication