Impact du claquage progressif de l'oxyde sur le fonctionnement des composants et circuits élémentaires MOS : caractérisation et modélisation

Impact of Oxide Soft BreakDown on MOS device and circuit operation : characterization and modeling

• Auteur / Autrice : Louis Gerrer
• Direction : Gérard Ghibaudo, Jalal Jomaah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 12/07/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Ian O'Connor
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Roy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Labat, Christophe Lallement

Mots clés

Mots clés libres

Transistor à effet de champ MOSFET

Fiabilité de l'oxyde

Quasi-claquage SBD

Variabilité des paramètres

Modélisation compact

Simulation composants et circuits

Field effect transistor MOSFET

Oxide reliability

Soft Breakdown

Parameters variability

Compact modeling

Device and circuits simulations

Résumé

La progressivité du claquage des oxydes de grille d'épaisseurs inférieures à 20 nm permet d'envisager une prolongation de la durée de vie des circuits. Cet enjeu majeur de la fiabilité contemporaine requiert des modèles adaptés afin de contrôler la variabilité des paramètres induites par le claquage. Après avoir étudié l'impact d'une fuite de courant sur une couche chargée, nous avons mis au point un modèle bas niveau de simulation par éléments finis, capable de reproduire la dérive des paramètres mesurée sur des dispositifs du nœud 45 nm. Des lois empiriques de ces dérives ont été injectées dans un modèle compact du transistor dégradé, simplifié par nos observations originales de la dépolarisation du canal et de la répartition des courants. Finalement nous avons simulé l'impact du claquage sur le fonctionnement de circuits simples et estimés la dérive de leurs paramètres tels que l'augmentation de la consommation due au claquage.

Breakdown (BD) progressivity for oxides thicker than 20nm may allow circuit lifetime extension; for design purpose and reliability questions, it is now very important to include soft BD failure in compact models in order to predict circuit's parameters variability. After studying the impact of current leakage on a charged layer, we set up a low level simulation model, able to reproduce parameters deviation measured on MOSFET from the 45nm node. Empirical laws of parameter's variability due to this degradation have been used to build up a compact model of damaged device. Our observations have allowed several improvements of BD understanding and led to major simplifications in BD compact modelling. Our simulations of small circuits show a good agreement with published measures and allow an estimation of BD impact on circuits, such as circuit's parameters deviation and power consumption increase estimation.