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Negative Bias Temperature Instability: NBTI
Cette partie s’attache à présenter et à définir le NBTI. Nous allons préalablement définir ce qu’est la contrainte NBT pour ensuite présenter un historique du NBTI et les principaux effets sur les paramètres électriques du transistor MOS. Nous présentons ici les résultats classiques obtenus sur les filières avancées 0.12µm. L’étude des phénomènes physiques et des mécanismes de dégradation, ainsi que leurs effets urs les paramètres électriques du transistor seront traités dans les 2 chapitres suivants.
La contrainte NBT
La contrainte NBT ou NBTS vient de l’anglais « Negative Bias Temperature Stress », sous-entendu un potentiel électrique négatif appliqué sur la grille du transistor dans un milieu à haute température. Concrètement, le dispositif est placé dans un four ou dans un environnement chaud, et les quatre connecteurs que sont la grille, la source, le drain et le substrat sont reliés à un générateur de tensions appliquant une tension négative entre la grille et l’ensemble Source-Substrat-Drain (Figure 1–8).
Cette configuration électrique peut être utiliséeussia bien pour l’expertise du NMOS que pour celui du PMOS. La plage de température varie de 25 à 200°C, et le potentiel de grille de V DD à 2-3 fois V DD (VDD étant la tension typique d’utilisation du dispositif). La température doit rester un paramètre accélérant le mécanisme de dégradation et ne doit pas dénaturer la chimie et/ou la structure du dispositif. Une température supérieure 250-300°C provoquerait des modifications qui n’entreraient plus dans le cadre de notre étude.
Une contrainte PBT (Positive Bias Temperature Stress) ou PBTS est par analogie une contrainte avec un potentiel positif sur la grille et à haute température. Plus généralement, les BTS (Bias Temperature Stress) correspondent à l’ens emble des contraintes NBTS et PBTS.
La contrainte NBT-inhomogène fait quant à elle référence à une contrainte pour laquelle le potentiel électrique du drain est plus élevé (ou moins élevé) que le potentiel électrique de la source .
Historique du NBTI
Le transistor à effet de champ électrique en silicium fait ses premiers pas dans la microélectronique vers la fin des années 1960. À cette époque, les travaux portaient principalement sur le développement de recette d’oxydation du substrat pour former le diélectrique de grille du transistor. Les effets de l’orientation cristallographique du substrat étaient étudiés pour la croissance du diélectriqueet les paramètres de fabrication de la croissance du diélectrique (température d’oxydation, atmosphère d’oxydation, étape de passivation…) afin d’obtenir une structure MOS suff isamment « harmonieuse ». L’épaisseur du diélectrique de grille était bien contrôlée et en mesurait déjà que quelques centaines de nanomètres. Les lignes de métal étaient en aluminium, en chrome ou en or. La contamination extrinsèque (ion sodium Na+, ion chlorure Cl-, ion potassium K+) était très problématique pour l’intégration des dispositifs MOS [28]. La qualité microélectronique (« pureté ») est très difficile à obtenir et la diffusion d’ions à traver s le diélectrique de grille fait dériver les paramètres électriques du transistor. Les ions mobiles répondent très bien en température et à un champ électrique par diffusion à travers la structure. Une des façons de révéler une contamination ionique est d’appliquer une contrainte NBT. Cette apparition de charges localisées est aléatoire et rend incontrôlables les paramètres électriques. Il était coutume d’appeler ces phénomènes des instabilités des paramètres électriques révélées sous contrainte du type NBT (Negative Bias Temperature Instability ou NBTI). Par la suite, ce terme a continué à être utilisé pour qualifier toute dérivedes paramètres électriques lors d’une contrainte NBT. Les travaux publiés en 1967 par l’équipe de B.E. Deal du laboratoire de recherche et développement de Fairchild Semiconductor en Californie en 1967 [29] sont les premiers à exposer une création de défauts chargéslors d’une contrainte NBT. Leurs travaux sont basés sur la génération de charges d’interfaces pendant les recettes d’oxydation ainsi que leurs évolutions sous une contrainte électrique. Ils se rendent compte que lorsqu’un champ électrique négatif est appliqué à haute température, l’apparition d’une charge positive n’est cette fois-ci pas due à une contamination extrinsèque, mais est bel et bien due à une origine intrinsèque au dispositif et fortement liée à l’interface SiO2/Si. Ils mettent en évidence que cette apparition de charge présente, contrairement à une contamination, une très bonne reproductibilité sur un grand nombre d’échantillonset qu’elle a de fortes probabilités d’être issue d’une diffusion d’espèces a base d’atome de silicium (ions positifs) provenant du substrat, proche de l’interface, et diffusant vers l’oxyde sous l’effet du champ électrique. La Figure 1–10 représente l’excès de ces espèces siliconées en fonction de la profondeur dans le diélectrique de grille .
Ces espèces siliconées augmenteraient pour Deal, lacharge contenue dans le diélectrique (notée Q sur le schéma) et ont pour principale conséquenceun décalage la caractéristique C- SS V. À partir de cette observation, l’équipe de Bell Telephone Laboratories [30] a approfondi l’étude de cette génération de charge sous contrainte, et mis en évidence la génération de défauts à l’interface SiO2/Si dans la structure MOS avec notamment une distribution en énergie. Ils avaient noté que la distribution en énergie dans le gap du semi-conducteur des états d’interface générés pendant un NBTS dépendaitdu champ électrique à travers du diélectrique.
Le travail de K.O. Jeppson et de M. Svensson publié en 1977 [31], est accepté par la communauté scientifique comme étant la première publication interprétant la dégradation sous une contrainte NBT. Ils travaillaient sur la fiabilité des mémoires non-volatiles p-MNOS qui avaient une très faible endurance. Ils parlent d’effets sous contraintes à tension négative et à haute température (Negative Bias Temperature Stress effects). Ils ont décomposé le mécanisme de dégradation en deux parties : la première, dominante à bas champ électrique et limité par le phénomène de diffusion, et la seconde, apparaissant à plus fort champ électrique et contrôlé par l’injection par effet tunnel de porteurs et le piégeage de trous. Ils proposent une libération de l’atome d’hydrogène à l’interface SiO2/Si. Ce modèle est à l’origine du modèle dit de « Réaction – Diffusion » (R-D). Ce modèle dedégradation a été étoffé au fur et à mesure des nouvelles observations. Blat et al. [32] ont notamment mis en évidence la nécessité d’avoir à la fois les trous libres du canal d’inversion (trou froid ou cold-hole) et des espèces hydrogénées (hydrogenated species ou waterelated- species). Une espèce hydrogénée et positivement chargée est libérée lors de la réaction entre la liaison Si-H et ces deux éléments. Ensuite, elle diffuse à travers le diélectrique de grille. Ogawa et al. [33] ont généralisé le concept de R-D aux espèces neutres etchargées, puis expliqué la fameuse loi temporelle de la dégradation t (loi en puissance ou power-law). Depuis le travail d’Ogawa, le modèle R-D a très peu été modifié par la communauté scientifique. Les contributions de Alam et Mahapatra [34] ont permis de rendre plus convivial la modélisation d’Ogawa et de modéliser les dépendances en champ électrique à travers l’oxyde, en température et les effets du potentiel électrique du substrat sur l’accélération de la dégradation [35]. En parallèle à ce modèle, d’autres modèles ou observations ont complété le paysage assez uniforme du NBTI et du modèle R-D, notamment Houssa [36] et Schlünder et al. [37]. Houssa propose un mécanisme de dégradation des liaisons Si-H à l’interface SiO2/Si par injection de porteurs à travers l’oxyde de grille. Schlünder et al. font partie des premiers à avoir montré le phénomène de relaxation « moderne » du NBTI : une partie de la dégradation s’autoguérit lorsqu’un potentiel électrique positif (phase de relaxation) est appliqué sur la grille après une contrainte NBT. Ils ont mis ainsi en évidence un piégeage/dépiégeage de trous lors des phases NBT/Relaxation. Ce phénomène appelé relaxation est,comme il sera vu par la suite, à l’origine des problèmes de caractérisation électrique. Le modèle R-D sera décrit dans le Chapitre 2 et sera confronté à nos études expérimentales. Les matériaux et les procédés de fabrication ont une influence très importante sur le mécanisme NBTI et notamment le phénomène de relaxation. Comme nous le verrons dansle Chapitre 5, des efforts de plus en plus importants se portent sur la recette d’oxydation de la grille et sa nitruration [38].
Dérive des paramètres électriques sous une contrainte NBT
Nous allons présenter dans cette partie les paramètres électriques dérivants lors d’une contrainte NBT en mode linéaire et en mode saturéUne. contrainte NBT (VG=-5.5V pendant 2.5 104s à 125°C) a été appliquée sur un PMOS de 5nm d’épaisseur d’oxyde. Les grandeurs considérées sont mises en valeur absolue par commodité. La Figure 1–12 représente l’évolution de la caractéristique I-V pendant la contrainte. Nous observons l’augmentation de la tension de seuil VT et la diminution du courant linéaire. Sur une échelle logarithmique, il apparaît que la pente sous le seuil (1/S) diminue et que le courant IOFF est réduit. La Figure 1– 13 représente la transconductance en fonction V . Il apparaît une diminution de g et un G mmax décalage de la caractéristique vers la droite dû à l’augmentation de V T. La diminution de gmmax implique une diminution de la mobilité des trous à l’interface. Cette dernière observation suggère que I est globalement diminué par l’augmentation du V mais DLin T également par une diminution de la mobilité.
Le NBTI parmi les principaux modes de défaillance
L’objet de cette partie est de présenter rapidement dans quel contexte se situe le NBTI dans la fiabilité du transistor MOS. Les modes de défaillance sont généralement classés en sous-groupes en fonction de la zone où se produit la défaillance. La figure suivante présente une vue d’ensemble des modes de défaillance pouvant intervenir entre le substrat et le dernier niveau de métallisation après l’encapsulation. En rait plein sont indiquées les défaillances dites « front-end ». Elles interviennent au niveau du dispositif actif. Le « back-end » en pointillé est défini à partir du contact jusqu’à la dernière métallisation et l’encapsulation. Le NBTI intervient au niveau du transistor et fait partie de la fiabilité front-end.
Les relations qui peuvent exister entre le NBTI et les autres modes de dégradation du dispositif sont importantes à souligner. Comme l’in tégrité du diélectrique de grille (GOI) et la dégradation « porteur chaud » (HCI), la dégradationNBTI se situe au niveau du dispositif dans la zone du diélectrique de grille. De plus, leNBTI a été révélé historiquement par une étude portant sur la contamination issue d’ions mobiles. Dans ce contexte, les couplages et interactions entre les divers phénomènes doivent être analysés pour mieux comprendre les mécanismes sous jacents au NBTI.
L’intégrité du diélectrique de grille (GOI).
Le diélectrique de grille est la couche la plus délicate de la technologie MOS. Contrôler à la fois la chimie du matériau (stœchiométrie) et les dimensions nanométriques font de son intégration un réel défi industriel. Sa fiabilitést etrès largement étudiée et un grand nombre de mécanismes sont répertoriés [39]. Le claquage du électriquedi fait référence à la « destruction » irréversible de la couche diélectrique. La couche isolante est alors réduite à une simple résistance.
Le claquage de l’oxyde est relié très fortement à la charge injectée à travers l’oxyde. Les porteurs injectés traversent l’oxyde et libèrent leur énergie dans le matériau. Il en résulte une accumulation de défauts : un chemin de conduction se créé par percolation de défauts entre le substrat et la grille jusqu’au claquage de l’oxyde. La superposition des deux phénomènes est ici évidente et la question du rôle de la charge injectée comme phénomène précurseur au claquage dans le NBTI est légitime.
Définition du NBTI
Il est désormais accepté que le NBTI se définit par« toute dérive des paramètres électriques du transistor sous une tension négative sur la grile (à bas champ électrique) et à hautes températures ». À l’origine du terme, les instabili tés des paramètres électriques étaient provoquées par la migration des ions Na dans des oxydes relativement épais, et révélées rpa une contrainte du type NBT. Puis par la suite, la configuration de la contrainte et les -37- symptômes étant très proches, le terme NBTI a été onservéc pour les phénomènes de dégradations. Aujourd’hui le NBTI est une instabilité liée uniquement aux phénomènes de dégradation et les contaminations ioniques ne sontplus répertoriées comme NBTI.
Le NBTI est étudié le plus souvent sur le PMOS carla dégradation y est beaucoup plus importante que sur le NMOS [46]. De plus, une configuration NBT sur le NMOS est rare dans la vie du dispositif dans un circuit, et le risque de sa défaillance est négligeable. En revanche, le PBTI du PMOS est, comme il sera vu dans le dernier chapitre concernant les perspectives, une configuration électrique négligée qui peut potentiellement devenir un mode de défaillance majeur.
La fiabilité NBTI et l’accélération du vieillissement
Définitions
· Définition de la fiabilité:
La fiabilité peut être définie comme la « probabilité qu’un dispositif exécute une fonction exigée dans des conditions indiquées pendant une période indiquée ». Il est important de noter que la fiabilité est exprimée comme probabilité quiinclut trois concepts indépendants:
1. Le temps.
2. Les conditions environnementales.
3. Les règles de défaillance.
Elle est souvent confondue avec la qualité, qui elle, définit le degré avec lequel le produit convient aux besoins du client. La fiabilité est devenue très rapidement un critère décisif et essentiel à l’industrie du semi-conducteur. L’électronique embarquée dans les automobiles et les avions est des cas très concrets ou la fiabilité est un critère élitiste. Les pièces sont prévues pour un temps d’utilisation et elles sont remplacées avant la défaillance. Les conséquences d’une mauvaise fiabilité sont pour l’utilisateur et l’entreprise extrêmement préjudiciable (inconfort, dépenses, accidents, abandon de la clientèle, mauvaise image…)
La notion de probabilité est très fréquemment associée aux études de défaillance. Les mécanismes de dégradation sous très souvent assujettis aux lois de probabilité de type log-normal ou weibullien. Le phénomène NBTI est un mécanisme extrêmement stable reparti sur toute la surface du dispositif. Il en résulte une très bonne reproductibilité de la dégradation. Nous avons reporté sur les Figure 2–22 (a) et (b) les dispersions σ des dégradations VT obtenues après 104s à V G=-2.5V et T=125°C pour les surfaces 0.1µm², 0.5µm², 25µm².
Effet sur la mobilité
La mobilité μ0 correspond à la mobilité des porteurs à bas champ électrique dans le silicium.
Elle va dépendre très fortement des interactions que peuvent avoir les porteurs avec leur environnement. Ces interactions « porteurs – milieu » réduisent leur mobilité effective dans le canal.
Trois mécanismes [85] sont à la base de la réduction de la mobilité :
Les collisions avec les phonons:
Les phonons correspondent aux modes de vibrations des atomes du réseau cristallin. On peut distinguer les phonons à faible énergie thermique (phonon acoustique) et à forte énergie thermique (phonon optique). Les porteurs transportés à travers le canal d’inversion sous l’action du champ électrique peuvent entrer « en collision » avec ces modes de vibration et voir leur mobilité diminuer Génération des états d’interface sous contrainte NBT
Les collisions coulombiennes:
Les collisions coulombiennes sont dues à la présence de charges électriques parasites à proximité du canal du transistor. Ces charges correspondent aux charges fixes dans l’oxyde, aux charges stockées sur les états d’interface et aux impuretés ionisées dans le substrat. Les forces misent en jeu sont les forces électrostatiques répulsives/attractives qui modifient le transport des porteurs dans le canal. Ce mécanisme met en jeu les phénomènes d’écrantage et de fluctuations locales du champ électrique bidimensionnel.
Les collisions sur la rugosité de surface:
La rugosité de surface est l’interaction réduisant le plus fortement la mobilité à fort champ électrique et par conséquent à forte tension VGS (champ électrique vertical). Les porteurs proches de l’interface subissent des forces de frottement importantes avec les atomes des couches où la stoechiométrie cristalline est altérée à l’interface SiO2/Si telle que, lors de leur déplacement, une modélisation physique de leur transport dans le canal, est freinée.
Extension du modèle R-D
L’extension du modèle R-D proposé par Alam et Mahapatra [34] permet de modéliser les phénomènes observés sur la dégradation et de les interpréter à travers les paramètres du modèle R-D. Ils modélisent l’effet du champ électrique dans l’oxyde et de la température au travers du coefficient de dissociation des liaisons Si-H kF : F coeff k B pT 0 = s Eq. 2-27.
Le coefficient kF est proportionnel à la quantité de trous p présents dans le canal, à leur capacité à traverser l’oxyde par effet tunnel Tcoeff, au coefficient de capture σ0 ainsi que d’une une fonction B, non déterminée, correspondant à la dépendance en champ électrique de l’oxyde.
Limites du modèle R-D
Nous proposons de confronter le modèle R-D à ses propres hypothèses afin de tester la précision du modèle ainsi que sa capacité à prévoir les phénomènes NBTI à l’interface SiO2/Si. L’hypothèse la plus forte, et peut être l’une des plus facile à vérifier, est celle portant sur le coefficient de dissociation de la liaison Si-H. Le fait de fixer un coefficient kF constant pendant la contrainte impose une énergie d’activation constante de la réaction.
De façon générale, on peut représenter un profil énergétique de réaction comme illustré sur la Figure 2–17. En définissant un état initial (réactifs) et un état final (produits), la réaction peut se faire dans le sens 1 avec une énergie d’activation Ea1 égale à la différence entre l’énergie initiale du système et l’énergie de l’état de transition, et dans le sens 2 avec une énergie d’activation Ea2 égale à la différence entre l’énergie finale du système et l’énergie de l’état de transition. Le passage d’un état à un autre est réversible, et le sens ayant l’énergie d’activation la plus petite est la réaction la plus favorable. La transition peut se faire également en plusieurs étapes avec un passage dans un état intermédiaire. Après un certain temps non défini, un équilibre thermodynamique sera atteint et la réaction dans le sens1 compensera celle qui est dans le sens 2.
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Table des matières
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
2.1 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 »
4.1 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 ?
5.6.3 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 215
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