Contribution à l'étude des mécanismes de dégradation et de claquage des diélectriques de grille ultra minces pour les technologies MOS ULSI

Contribution to the study of the degradation and breakdown mechanisms for ultra thin gate dielectrics used in ulsi mos technologies

• Auteur / Autrice : Olivier Brière
• Direction : Roland Herino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Microélectronique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés libres

Sciences appliquees

Etude theorique

Etude experimentale

Fiabilite

Degradation

Circuit integre

Technologie mos complementaire

Disruption electrique

Dielectrique

Grille transistor

Duree vie

Quasi claquage

Ondulation quantique

Theoretical study

Experimental study

Reliability

Degradation

Integrated circuit

Complementary mos technology

Electric breakdown

Dielectric materials

Transistor gate

Lifetime

Résumé

Ce travail est une contribution a la qualification des dielectriques de grille, d'epaisseurs comprises entre 12 et 4nm, destines aux technologies cmos 0. 5m a 0. 13m. Apres avoir presente l'etat de l'art et notre methodologie d'etude, nous avons tout d'abord evalue la fiabilite intrinseque des dielectriques. A l'aide de mesures statistiques, nous avons etabli les lois d'acceleration en champ et en temperature du claquage definitif. Nous avons montre que les coefficients d'acceleration dependent plus de la nature du dielectrique que de l'epaisseur. La duree de vie intrinseque d'un oxyde peut etre obtenue, par extrapolation aux conditions normales de fonctionnement, en utilisant la valeur du coefficient d'acceleration. Nous avons ensuite illustre l'impact des etapes technologiques pre et post-oxydation, sur l'integrite des dielectriques de grille. Jusqu'a present, le critere permettant de juger de la fiabilite est le claquage thermique de la structure. Dans le cas des oxydes ultra minces (< 6nm), nous avons montre que ce claquage definitif est precede d'un nouveau mode de degradation appele quasi claquage, qui conduit a des courants de fuite anormalement eleves a bas champs. Dans ce memoire, nous presentons une etude complete du quasi claquage, a l'aide d'experiences originales et de modelisations. Par ailleurs, nous avons montre que les caracteristiques courant-tension relatives a un oxyde de grille de faible epaisseur presentent des ondulations. Ces ondulations, d'origine quantique, ont ete modelisees de facon satisfaisante. Enfin, nous avons propose d'utiliser ces ondulations comme une nouvelle methode d'evaluation de l'epaisseur et de la qualite des oxydes de grille. Ce travail a permis de conclure, entre autres, que la diminution de l'epaisseur du dielectrique de grille dans les technologies presentes et futures (< 0. 25m), n'etait pas sans consequence sur la fiabilite et l'integrite des circuits. Il nous semble imperatif d'utiliser comme critere de defaillance, le quasi claquage, plutot que le claquage thermique