Dégradation des propriétés de conduction des structures métal/isolant ultra-mince / semiconducteur soumise à une injection de porteur et à une irradiation ionisante

Abstract

L’évolution des dimensions des circuits intégrés MOS (métal/oxyde/semiconducteur) de haute complexité vers la gamme submicronique rend nécessaire de maitriser la croissance et les propriétés des couches isolantes d’épaisseur inférieure à la dizaine de nanomètre. Dans ce cadre, nous avons réalisé et caractérisé, par des moyens électriques et physico-chimiques, des couches ultra minces d’oxyde thermique SiO2 d’épaisseur variant de 30 à 120 Å. Nous avons analysé, à partir des modèles théoriques, la dégradation de leurs propriétés de conduction, qui est de type Fowler-Nordheim, après vieillissement sous injection de porteur et irradiation par les rayons X. ensuite, nous avons montré la faisabilité d’une nouvelle technologie permettant la réalisation des couches d’oxynitrure SiOxNy, qui potentiellement possèdent des propriétés électriques plus importantes que les couches d’oxyde thermique. Ce procédé est basé sur le recuit d’un film de silicium dopé azote (NIDOS) qui joue le rôle d’une source solide d’azote pour la nitruration d’une couche d’oxyde thermique mince d’épaisseur de l’ordre de 100 Å. Dans le cas des couches d’oxyde, une étude systématique de l’influence des paramètres technologiques (préparation du substrat, dopage, températures d’oxydation, ambiance oxydante chlorée, recuits post oxydation et post métallisation) est effectuée. Nous avons montré que la séquence de fabrication optimisée aboutit à l’élaboration des structures métal/oxyde ultra-mince/semiconducteur ayant une homogénéité d’épaisseur d’oxyde de l’ordre de la monocouche (≈3Å). Les propriétés électriques obtenues se trouvent parmi les meilleurs de la littérature : densité de charges fixes de 6 1011 et 2.5 1012 cm-2 quand l’épaisseur des couches est de 65Å et 120Å, densité d’états d’interface (mid gap) inférieure à 1010 cm-2 eV-1, champ de claquage atteignant 15 MV/cm, et des charges injectées au claquage de l’ordre de 40C/cm2 pour un courant de densité 0.1A/cm2. Le vieillissement de ces couches sous injections de courants (V(t)) (V<0) montre un stockage de charges positives dans l’oxyde près des interfaces métal-oxyde et oxyde-silicium, une création d’états de surface, et un stockage de charges négatives dans le volume de l’oxyde près de la cathode (métal). Les charges négatives sont attribuées aux centres natifs de type coulombien, et aux centres induits de taux de création et de remplissage variant de 2 10-9 à 2 10-8 quand l’épaisseur de la couche d’oxyde varie de 65 à 120Å. L’analyse fine théorique et expérimentale de l’influence des charges négatives sur les caractéristiques courant-tension I(V) (V<0) nous a permis de mettre en évidence l’instabilité de ces charges : déplacement de leur barycentre vers la cathode (métal) lorsque la charge injectée ou le champ électrique appliquée à la structure augmente. L’analyse du vieillissement des mêmes structures sous irradiation par les rayons X montre : - par des mesures capacitives C(V), que les couches d’oxyde ayant des épaisseurs inférieures à 100Å sont résistantes au rayonnement : effet négligeable sur la création de charges positives et d’états de surface. - Par des mesures courant-tension I(V) (V>0 et V<0), une amélioration de la barrière interfaciale oxyde/silicium après irradiation sur les couches d’épaisseur inférieure à 100Å. - Une augmentation du piégeage négatif sur les couches d’épaisseur supérieure à 100 pour des courants d’injection (V<0) élevés (J>1 A/cm2). Cette augmentation est attribuée au piégeage des porteurs par les charges positives créées par le rayonnement dans la couche d’oxyde. Enfin, nous avons montré que le matériau NIDOS est tout à fait compatible avec les procédés d’obtention des structures MOS en technologie silicium. Nous avons montré que les couches d’oxynitrure, d’épaisseurs de 100Å obtenues pour deux températures de recuit (600°C et 1100°C) présentent des propriétés électriques meilleures que celles des couches d’oxyde thermique. Une nette amélioration est obtenue à basse température de recuit du NIDOS (600°C) : densité de charges fixes de 2 1011 cm-2, densité d’états d’interface (midgap) inférieure à 1010 cm-2 e V-1, champ de claquage atteignant 15-16 MV/cm, suppression des centres natifs, faible de création et remplissage des centres induits (ce taux varie de 2 10-9 à 5 10-9), et des charges injectées au claquage de l’ordre de 175 C/cm2 pour un courant de densité 0.1 A/cm2