Etude par pompage de charge et par mesures de bruit basse fréquence de transistors MOS à oxynitrures de grille ultra-minces

= Charge pumping study and low frequency noise characterization of MOS transistors with ultra-thin oxinitride gate dielectrics

• Auteur / Autrice : Pascal Masson
• Direction : Bernard Balland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection hyperfréquence

Bruit électronique

MOS (électronique)

Résumé

Nos travaux concernent la caractérisation des transistors MOS à oxynitrures de grille ultra-minces (2 à 7 nm d'épaisseur) obtenus par dépôt chimique en phase vapeur (LPRTCVD). Après un bref rappel des propriétés des défauts de l'interface Si-Si02, nous décrivons les limitations du dioxyde de silicium et présentons les oxynitrures comme une alternative technologique au traditionnel Si02 pour les composants fortement submicroniques. Nous développons l'étude du transistor MOS dans les différents régimes de fonctionnement avant saturation. Nous avons attaché une grande importance à redémontrer les principaux modèles électriques qui ont servi de base à notre démarche expérimentale d'extraction des paramètres. Dans une deuxième partie de notre travail, nous avons développé une nouvelle modélisation du pompage de charge permettant de calculer le courant pompé pour un profil quelconque de la densité d'états d'interface dans la bande interdite du semi-conducteur. Cette approche s'applique aux différentes méthodes de pompage de charge à deux niveaux, à trois niveaux et mettant en œuvre un piège unique. Elle permet l'extraction des paramètres des pièges en présence éventuelle d'un courant tunnel dans le cas des isolants de grille ultra-minces. La caractérisation par mesures de densité spectrale de puissance de bruit basse fréquence (1/f) nous a permis de corréler le piégeage de porteurs et les fluctuations de mobilité à la diminution de l'épaisseur d'isolant. Ceci nous a permis de proposer une amélioration de la méthode expérimentale d'extraction de la densité de pièges lent en analysant l'éventuelle influence d'un -, courant tunnel. Les développements de ces trois techniques de caractérisation sont mis à profit L pour l'étude de transistors MOS à oxynitrures de grille. L'influence des paramètres technologiques d'élaboration de différentes couches d'oxynitrure (teneur en azote, ambiance et température de recuit, présence d'une couche supplémentaire d'oxynitrure dans l'empilement de grille) est analysée en terme de mobilité à faible champ électrique, de tension de seuil, de densités d'états lents et rapides et de charges fi. Xes dans le système isolant-grille.

This thesis deals with the electrical characterization of MOS transistors with ultra-thin oxinitride gate dielectrics in the range 2-7 nm. It also concerns the study of electrical active defects in oxinitride-silicon systems. In the first chapter, we review the main characteristics of the Si-Si02 electrical defects as well as the limitations of Si02 used as gate dielectric for deep-submicron MOSFET's. We also present the basic properties of oxinitride layers and we discuss the validity of such dielectrics as a possible alternative to the classical Si02. The second chapter is devoted to the analytical modeling of the MOS transistor working before saturation. We completely rewrite the electrical models that we use in this work to extract the electrical parameters of our devices. In chapter three, we develop a new model of the charge pumping current, taking into account the response of individual and/or distributed states in the silicon bandgap. This approach allows us to accurately model the two- and three-level techniques in terms of current components due to the trapping-detrapping mechanisms from interface states. Finally, we propose an experimental method to separate the charge pumping and the tunneling currents when performing measurements on ultra-thin gate oxide MOSFET's. Chapter fourth is dedicated to the theory of low frequency (1/f) noise in MOS devices. After reviewing the possible origins of this noise, we analyze the influence of the dielectric thickness scale-down and surface roughness on its level. We also propose an enhanced model and extraction procedure to determine the slow state density in presence of a parasitic tunneling component from the gate. In the final part of our work, we use the three electrical techniques, previously reported, to carefully investigate the electrical properties of n-channel MOSFET's with oxinitride gate dielectrics formed by law-pressure rapid thermal chemical vapor deposition (LPRTCVD). Important technological parameters, such as nitrogen concentration, ambient and temperature of post-deposition annealing treatments, presence of an additional capping-layer, etc. , have been analyzed in terms of the presence of fast and slow states and fi. Xed charge in the dielectric-silicon system.