Soutenance mémoire
La microélectronique : systèmes toujours plus performants
Le spectaculaire développement de la microélectronique pour les trois dernières décennies a été rendu possible par les avancées dans les procédés de traitement des matériaux semiconducteurs, notamment du silicium. Cette évolution, caractérisée par l’augmentation du nombre de composants à volume constant, conjugue une baisse des prix des systèmes avec l’augmentation régulière des performances. Ainsi, le microprocesseur, élément essentiel des ordinateurs, a vu ses capacités augmenter d’année en année grâce à l’intégration sur une surface de plus en plus petite de son composant principal, le transistor. En 2006, les industriels de la microélectronique intègrent plusieurs millions de composants élémentaires sur une surface de quelques millimètres carrés. Il est remarquable que la célèbre « loi de Moore » (a volume égal, le nombre de transistors double tous les trois ans) soit vérifiée depuis quarante ans. La Figure 1-1 rend compte du nombre de transistors intégrés en fonction de temps, pour les processeurs Intel, depuis 1970 [INTEL2006]. L’histoire récente a démontré le bien fondé de cette prédiction, et nous pouvons supposer que cette loi continuera à être vérifiée pour une dizaine d’années encore. En microélectronique, les isolants électriques sont très répandus et jouent un rôle essentiel dans les performances des composants soit en tant qu’isolant soit en tant que diélectrique. Pour répondre au défi des nouvelles générations de composants et donc augmenter les performances des composants électroniques, l’étude des diélectriques est essentielle pour repousser les limites des matériaux isolants actuels ou pour en concevoir de nouveaux.
Diagramme de bandes d’énergie
Dans une structure cristalline, la répartition périodique des atomes permet la mise en commun des électrons périphériques, qui disposent alors d’un grand degré de liberté dans le réseau cristallin. Du fait de sa forte densité atomique, la population électronique occupe des niveaux énergétiques qui constituent les bandes d’énergie permises séparés par des bandes d’énergie interdite. Lors du remplissage des bandes d’énergie par une population d’électrons, les cases quantiques de moindres énergies sont occupées en premier. Au zéro absolu, le niveau au delà duquel toutes les cases sont vides, et où en deçà toutes les cases sont occupées par deux électrons de spins opposés, est appelé niveau de Fermi EF. Autrement dit, le niveau d’énergie le plus haut occupé par les électrons à 0 Kelvin K est le niveau de Fermi. Au voisinage du niveau de Fermi, nous pouvons alors distinguer plusieurs bandes énergétiques :
• La Bande de Conduction, notée BC, où se situent les états d’énergie supérieurs délocalisés. Les électrons occupant cette bande sont appelés électrons de conduction, ou électrons libres. Le niveau énergétique minimum de la BC est noté EC.
• La Bande de Valence, notée BV, est la bande d’énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins). Le niveau énergétique maximum de la BV est noté EV.
• La Bande Interdite dite de Fermi notée BI. La BI d’un isolant ou d’un semiconducteur est la différence entre le haut de la Bande de Valence et le bas de la Bande de Conduction. Nous définissons la largeur de la BI EG, aussi appelé Gap par : EG =EC− EV [1-1] Ainsi, en fonction du degré d’occupation des bandes et de leurs différentes bandes d’énergie, on distingue les conducteurs, les isolants et les semiconducteurs (Figure 1-3).
Environnements radiatifs et composants
Les composants de l’électronique sont soumis à des sources de rayonnements nuisibles d’origines naturelles (provenant essentiellement du milieu spatial) ou d’origines humains (radioactivité civile ou militaire) [BOUDENOT1999]. Le rayonnement issu des sources galactiques et extragalactiques est reçu sur terre sous forme d’un flux de particules hautement énergétiques. Ce flux, constitué essentiellement de protons (85%), d’hélium (10%), d’électrons (2%), et d’ions ionisés (1%), peut générer des charges par collision dans tout le composant électronique. L’interaction rayonnement matières dépend des caractéristiques du rayonnement incident (nature, masse, charge et énergie de la particule) et de la matière cible (masse, charge et densité). On peut classer en quatre groupes les divers types de rayonnement : les particules chargées (protons et électrons), les neutrons, les ions lourds et les photons. Les effets du rayonnement sur les composants électroniques peuvent être classés en trois grandes catégories.
Vieillissement-Claquage
Si les pièges présents dans l’oxyde ont une extension orbitale inférieure à la distance des premiers atomes voisins, les charges vont pouvoir s’y piéger entraînant autour une déformation locale du réseau. Le phénomène de piégeage dans les isolants implique donc nécessairement une localisation d’énergie, attachée à cette déformation, qui conduit à la formation d’un état métastable local qui fragilise le matériau. C’est donc très vraisemblablement ce piégeage des charges, via la création de champs électriques intenses et/ou l’accroissement de l’énergie interne, qui participe au vieillissement du matériau et favorise le déclenchement prématuré des phénomènes catastrophiques tel que le claquage diélectrique. Le claquage est l’aboutissement d’une série de processus complexes et interactifs. Assez souvent, l’un des mécanismes est prédominant. On distingue le claquage intrinsèque du matériau qui est lié à des phénomènes électroniques, thermiques ou mécaniques et le claquage pratique qui survient au voisinage d’un défaut ou par suite d’une dégradation progressive du matériau. Les valeurs de rigidité diélectrique des matériaux isolants peuvent atteindre plusieurs centaines de kilovolts par millimètre, voire 1 MV/mm. Pour les épaisseurs utilisées en pratique, la rigidité diélectrique des isolants solides est souvent limitée à quelques dizaines de kV/mm.
Présentation de la Méthode de l’Onde Thermique
nLa Méthode de l’Onde Thermique (MOT) permet d’établir la distribution de la charge dans un isolant électrique [TOUREILLE1987], [TOUREILLE1994]. Jusqu’à présent, réservée aux isolants épais supérieurs à 10µm, la MOT semblait inappropriée pour étudier des isolants plus minces utilisés en microélectronique. Or en 2000, ODIOT a montré l’applicabilité de la MOT sur des épaisseurs fines d’oxyde de quelques centaines de nanomètres dans des structures MOS [ODIOT2000]. Comme l’établissement de la distribution des charges électriques dans les isolants fins utilisés en microélectronique est un enjeu majeur pour améliorer la caractérisation des isolant fins, les résultats encourageants obtenus sur les structures MOS ont poussé les chercheurs à explorer quelles étaient les limites de l’application de la MOT sur des couches minces. La spécificité de la MOT tient au fait que c’est une méthode non destructive de mesure de charges d’espace, et que la mesure peut être effectuée un grand nombre de fois de façon reproductible. Très flexible et peut coûteuse, la MOT est très utilisée pour caractériser des isolants macroscopiques et a fait ses preuves aussi bien sur des isolants plans que sur des structures cylindriques comme les câbles [NOTINGHER2000], [MATALLANA2001].
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 LES ISOLANTS EN MICROELECTRONIQUE ET EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
1.1. Applications actuelles
1.1.1. Domaines d’applications
1.1.1.1. La microélectronique : systèmes toujours plus performants
1.1.1.2. L’électrotechnique
1.1.2. Limites observées
1.1.2.1. La miniaturisation en électronique
1.1.2.2. Fiabilité, durée de vie
1.1.3. Perspectives
1.2. Structure des composants
1.2.1. Physique des semiconducteurs
1.2.1.1. Diagramme de bandes d’énergie
1.2.1.1.1. Conducteur
1.2.1.1.2. Isolant
1.2.1.1.3. Semiconducteur
1.2.1.1.4. Travail de sortie et affinité électronique
1.2.2. Modèle idéal : structures sans défaut – différentes structures
1.2.2.1. La structure Métal-Isolant-Métal
1.2.2.1.1. Composition
1.2.2.1.2. Diagramme de bandes d’énergie
1.2.2.1.3. Influence des travaux de sortie
1.2.2.2. La structure Métal-Oxyde-Semiconducteur
1.2.2.2.1. Structure
1.2.2.2.2. Diagramme de bandes d’énergie
1.2.2.2.3. Influence des travaux de sortie
1.2.2.2.4. Régimes de fonctionnement
1.2.2.3. Le Transistor MOS
1.2.2.3.1. Structure
1.2.2.3.2. Principe de fonctionnement
1.2.3. Modèle réel : défauts de structure, pièges, niveaux localisés
1.2.3.1. Structure du SiO2
1.2.3.2. Défauts dans le SiO2
1.2.3.2.1. Défauts intrinsèques
1.2.3.2.2. Défauts extrinsèques
1.2.3.2.3. Introduction de nouveaux niveaux d’énergie
1.2.3.2.4. Notion de piège
1.2.3.2.5. Les différents types de charges dans le SiO2
1.2.3.3. Différentes origines du courant à travers l’oxyde
1.2.3.4. Environnements radiatifs et composants
1.2.3.4.1. Les effets de déplacements
1.2.3.4.2. Les effets singuliers
1.2.3.4.3. Effet de dose
1.2.3.4.4. Effet du débit de dose
1.2.3.4.5. Les effets sur les oxydes
1.2.3.5. Vieillissement-Claquage
1.2.3.6. Influences des défauts sur le fonctionnement MOS
1.2.4. Conclusion
1.3. Méthodes de caractérisation
1.3.1. Techniques de caractérisation de structures
1.3.1.1. Méthode C(V)
1.3.1.1.1. Principe
1.3.1.1.2. Limites
1.3.1.2. Méthode I(V)
1.3.1.2.1. Principe
1.3.1.2.2. Limites
1.3.2. Techniques de mesures des charges d’espace
1.3.2.1. La méthode des Courants Thermo-Stimulés
1.3.2.1.1. Principe
1.3.2.1.2. Limites
1.3.2.2. La Méthode de l’Onde Thermique
1.3.2.2.1. Présentation de la Méthode de l’Onde Thermique
1.3.2.2.2. Principe
1.3.2.2.3. Répartition de la température dans le temps et l’espace
1.3.2.2.4. Double condensateur
1.3.2.3. Autres méthodes de caractérisations
1.4. Conclusion
CHAPITRE 2 ASPECTS EXPERIMENTAUX ET METHODES DE CARACTERISATION UTILISEES
2.1. Descriptions des composants utilisés
2.1.1. Aspects technologies
2.1.1.1. Semiconducteur
2.1.1.1.1. Fabrication
2.1.1.1.2. Dopage
2.1.1.2. Isolants
2.1.1.2.1. Permittivité diélectrique
2.1.1.2.2. Fabrication des isolants électriques en microélectronique
2.1.1.3. Métaux
2.1.2. Structures étudiées
2.1.2.1. Les structures Métal-Isolant-Métal
2.1.2.2. Les capacités Métal-Oxyde-Semiconducteur
2.1.2.2.1. MOS première série
2.1.2.2.2. MOS seconde série
2.1.2.3. Le transistor MOS (TMOS)
2.2. Méthodes de caractérisation utilisées
2.2.1. Adaptation de la Méthode de l’Onde Thermique
2.2.1.1. La cellule de mesures
2.2.1.2. Nouvelle cellule de mesures
2.2.1.3. Choix des paramètres de mesure
2.2.1.3.1. Echelon thermique positif
2.2.1.3.2. Réduction du bruit haute fréquence
2.2.1.3.3. Tension appliquée
2.2.1.4. Nouvelle automatisation
2.2.1.4.1. Améliorations apportées
2.2.2. La méthode capacité – tension C(V)
2.2.3. La méthode courant – tension I(V)
2.3. Conclusion
CHAPITRE 3 RESULTATS ET INTERPRETATIONS
3.1. Etude sur les structures Métal-Isolant-Métal
3.1.1. La Méthode de l’Onde Thermique appliquée aux structures Métal Isolant-Métal
3.1.2. Etude d’échantillons à base de SiO2 PECVD
3.1.3. Etude d’échantillons à base de Si3N4 PECVD
3.1.4. Conclusion
3.2. Etude sur les structures MOS
3.2.1. Validations de l’applicabilité de la MOT sur structures MOS
3.2.1.1. MOS première série
3.2.1.2. Etude de l’échelon thermique dans la structure MOS
3.2.1.3. Etude de structures MOS avec substrat de type N de dopages différents
3.2.2. Caractérisation de structures MOS
3.2.2.1. MOS première série
3.2.2.1.1. Etude de structures MOS avec un substrat de type P
3.2.2.1.2. Etude de structures MOS avec un substrat de type N
3.2.2.2. MOS seconde série
3.2.2.2.1. Etude de la structure MOS à substrat de type N
3.2.2.2.2. Corrélation des résultats avec les MOS première série
3.2.3. Caractérisations de structures MOS irradiées
3.2.3.1. Résultats obtenus
3.2.3.2. Interprétations
3.2.3.3. Conclusion
3.2.4. Interprétations et modèles
3.2.4.1. Interprétation qualitative
3.2.4.2. Modèle théorique
3.2.5. Conclusion
3.3. Perspectives
3.3.1. Sonde à mercure
3.3.2. Couches ultra fines
3.3.3. Etude sur IGBT
3.4. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
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