Analyse fine de la conduction de type Fowler-Nordheim des structures Métal/Oxyde ultra-mince/ Semi-conducteur, caractérisation des défauts localisés dans la couche d’oxyde ultra-mince

Abstract

La miniaturisation incessante des dimensions des circuits intégrés MOS (métal/oxyde/ semiconducteur) nécessite la maitrise des propriétés électriques des structures MOS avant des couches d’oxyde ultraminces d’épaisseurs inférieures à 100 A. dans ce cadre nous avons analysé les propriétés électriques des structures MOS (semiconducteur de type P) en tenue de mécanismes physiques contrôlant leurs propriétés dans certains dispositifs tels que les transitions MOS, les mémoires EEPROM, …. Nous avons établi les équations de base régissant le fonctionnement électrique des structures MOS en absence et en présence de charges dans la couche d’oxyde. Nous avons montré que la charge stockée dans l’oxyde est équivalente à une charge lamellaire à l’interface oxyde/semiconducteur. La simulation numérique de différentes équations sous formes intégrales et sous formes approchées en utilisant l’approximation de Maxwell-Boltzmann, montre que l’influence des charges lamellaires est plus marquée sur les potentiels et champs dans la structure en régime de déplétion. En régime d’inversion ou d’accumulation l’influence est négligeable. L’estimation des erreurs commises sur la détermination des champs et potentiels électriques en utilisant l’approximation de Maxwell-Boltzmann, montre la validité de cette approximation pour la détermination du culte de potentiel dans l’oxyde et les différents champs dans la structure : erreurs inférieures à 2%. Cependant, les erreurs commises sur la détermination du potentiel à l’interface oxyde/semiconducteur peuvent atteindre 45% pour un champ de 18 MV/cm. Ces erreurs sont interprétées en terme de dégénérescence de l’interface oxyde/semiconducteur. Dans le cas des couches d’oxyde minces d’épaisseurs inférieures à 100 A, nous avons montré que la détermination du champ dans l’oxyde (ou champ du claquage) nécessite un calcul complet des potentiels et champs électriques dans toute la structure MOS. Par un procédé classique nous avons montré que la conduction par effet tunnel de type Fowler-Nordheim (FN) des structures MOS est principalement due aux électrons ayant des énergies proches de l’énergie de Fermi du métal dans le cas de l’injection des électrons par le métal (Vg<0), et proches de celle du bas de la bande de conduction du semiconducteur à l’interface oxyde/semiconducteur dans le cas de l’injection des électrons par le semiconducteur (Vg<0). Après avoir établi le modèle classique de conduction FN ignorant les effets de la température et de l’abaissement de la barrière de la couche d’oxyde par effet Schottky, nous avons analysé d’une manière fine ces effets sur la conduction FN (Vg<0, Vg >0). Dans le cas de l’injection des électrons par le semiconducteur, nous avons montré que le courant FN est aussi fonction de la dégénérescence du semiconducteur. Les résultats de simulation nous ont permis de montrer que : - En régime d’accumulation (Vg<0), les effets de la température et de Schottky se traduisent par l’introduction d’un facteur correctif dans le modèle classique. Pour une barrière à l’interface métal/oxyde de l’ordre de 3 eV et à 300°K, ce facteur est de l’ordre de 1.191 à faibles champs (8MV/cm-10 MV/cm) et 1.431 à forts champs (10MV/cm-14MV/cm). - En régime d’inversion (Vg<0), les effets de la température, la dégénérescence de l’interface du semiconducteur et l’effet Schottky se traduisent par l’introduction d’un facteur correctif dans le modèle classique. Pour une barrière à l’interface oxyde/semiconducteur de l’ordre de 3.2 eV et à 300°K, ce facteur est de l’ordre de 7.15 (6.94) à faible (forts) champs. A partir de la modélisation des caractéristiques courant-tension 1(Vg) des structures MOS (Vg<0, Vg>0), ayant des épaisseurs d’oxyde comprises entre 40 Å et 110 Å, nous avons montré la validation des modèles théoriques à forts champs dans le cas du régime d’accumulation (Vg<0), et à faibles champs dans le cas du régime d’inversion (Vg>0). - La barrière à l’interface métal/oxyde est de l’ordre de 3 eV et celle de l’interface oxyde/semiconducteur est de l’ordre de 3.2 eV. - La nécessité d’introduire, dans l’expression classique de la conduction FN, des facteurs correctifs dus aux effets de la température et de Schottky en régime d’accumulation (Vg<0) et des facteurs dus aux effets de la température, de la dégénérescence de l’interface du semiconducteur et de Schottky en régime d’inversion (Vg>0). Aussi nous avons montré la dégradation des propriétés de condition à faibles champs. Nous avons attribué ces dégradations à la présence d’un courant en excès qui est dû à des défauts localisés dans la couche d’oxyde. Lors de l’injection des électrons par le métal (Vg<0), l’analyse de ce courant en excès, à partir des modèles théoriques, montre que la barrière effective des défauts est de l’ordre de 2 eV. Elle dépend peu de l’épaisseur d’oxyde et la surface de structures. Cependant, la surface de ces défauts augmente avec la surface des structures ou la diminution des épaisseurs d’oxyde sur les faibles surfaces des structures. La comparaison entre ces résultats et ceux de la littérature, nous a permis de conclure que les défauts dans l’oxyde et le claquage destructif des structures MOS sont directement ou indirectement reliés : lorsque la surface des défauts augmente le champ de claquage diminue. Ces résultats nous ont permis de proposer une ébauche technique de caractérisation du claquage à partir de l’analyse du courant en excès à faibles champs. Les caractéristiques des défauts (barrière, surface) ont été confirmées en analysant le courant en excès lors de l’injection des électrons par le semiconducteur. A partir de l’analyse de l’influence du rayonnement sur les caractéristiques courant-tension Vg>0, Vg <0), nous avons conclu que : - Le rayonnement crée des charges positives près de l’interface oxyde/semiconducteur dans le cas des oxydes épais (> 100 Å), - La profondeur des défauts est pratiquement identique à l’épaisseur des couches d’oxyde, - Le rayonnement élimine les défauts près de l’interface oxyde/semiconducteur dans le cas des oxydes d’épaisseur de l’ordre 74 Å, le rayonnement améliore les caractéristiques des défauts localisés près de l’interface oxyde/semiconducteur dans le cas des couches d’oxyde d’épaisseur de l’ordre de 45 Å : (la barrière augmente de 6.5% et la surface diminue de 68%). Enfin, nous avons montré que les caractéristiques courant-tension (1(Vg)) des structures MOS (Vg<0) où l’épaisseur d’oxyde est inférieure à 60 Å sont de type FN et affectées à faibles champs par un courant en excès (de type FN) et des oscillations. Nous avons montré que les oscillations du courant en excès ne dépendent pas de la surface des structures. La comparaison avec les résultats théoriques, nous a permis de déduire l’absence du premier minimum et maximum, et un bon accord entre l’expérience et la théorie pour les autres extremums. Ces résultats montrent que la valeur de la barrière de potentiel et la profondeur des défauts ne dépendent pas de la surface des structures MOS et la profondeur des défauts est identique à l’épaisseur de la couche d’oxyde. Ces résultats confirment ceux obtenus précédemment après irradiation des structures MOS. En conclusion dans le cas des structures MOS de faibles dimensions, les propriétés de conduction par effet FN du courant en excès pourrait être une voie intéressante de caractérisation des défauts : barrière de potentiel, surface et profondeur. Aussi, l’irradiation peut être considérée dans les étapes technologiques de réalisation des composants MOS nanométriques dans le but de réduire les défauts localisés dans la couche d’oxyde, et améliorer les performances électriques des composants réalisés.