Etude du fonctionnement et du vieillissement de transistors MOS submicroniques à basse température PDF Download
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POUR CETTE ETUDE, EN PREMIERE PARTIE, DEUX MODELES SONT PROPOSES POUR PRENDRE EN COMPTE LES ASPECTS PARTICULIERS AUX DISPOSITIFS A CANAL TRES COURT (SUBMICRON). ON PROPOSE AUSSI UNE METHODE POUR DETERMINER LA LONGUEUR ELECTRIQUE DES TMOS. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A L'ETUDE DES MECANISMES PHYSIQUES DE DEGRADATION PAR LES PORTEURS CHAUDS ET DU VIEILLISSEMENT A 77K DE TRANSISTOR MOS FABRIQUES PAR DIFFERENTES TECHNOLOGIES. ON MONTRE QUE LE PIEGEAGE DES ELECTRONS ET LA GENERATION DES ETATS D'INTERFACE VARIENT SELON LES CONDITIONS DE CONTRAINTE, LA TEMPERATURE ET LA LONGUEUR DES TRANSISTORS
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POUR CETTE ETUDE, EN PREMIERE PARTIE, DEUX MODELES SONT PROPOSES POUR PRENDRE EN COMPTE LES ASPECTS PARTICULIERS AUX DISPOSITIFS A CANAL TRES COURT (SUBMICRON). ON PROPOSE AUSSI UNE METHODE POUR DETERMINER LA LONGUEUR ELECTRIQUE DES TMOS. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A L'ETUDE DES MECANISMES PHYSIQUES DE DEGRADATION PAR LES PORTEURS CHAUDS ET DU VIEILLISSEMENT A 77K DE TRANSISTOR MOS FABRIQUES PAR DIFFERENTES TECHNOLOGIES. ON MONTRE QUE LE PIEGEAGE DES ELECTRONS ET LA GENERATION DES ETATS D'INTERFACE VARIENT SELON LES CONDITIONS DE CONTRAINTE, LA TEMPERATURE ET LA LONGUEUR DES TRANSISTORS
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LA REDUCTION DES DIMENSIONS DES TRANSISTORS MOS FAIT APPARAITRE DES EFFETS NEFASTES AU BON FONCTIONNEMENT DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL DE THESE EST D'ETUDIER LES PROPRIETES PHYSIQUES ET ELECTRIQUES DES MOSFETS FORTEMENT SUBMICRONIQUES. LES LONGUEURS DE GRILLE MINIMUM UTILISEES AU COURS DE CETTE ETUDE SONT DE 75NM. DANS LE PREMIER CHAPITRE, NOUS RAPPELONS LES PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DES TRANSISTORS MOS EN INTRODUISANT LES EFFETS LIES A LA REDUCTION DES DIMENSIONS. LE SECOND CHAPITRE EST ENTIEREMENT DEDIE AUX EFFETS DE CANAUX COURTS. LA TENSION DE SEUIL EST ETUDIEE EN FONCTION DE NOMBREUX PARAMETRES. NOUS PRESENTONS UNE ANALYSE FINE DE L'EFFET DE CANAL COURT INVERSE A PARTIR DE MESURES EFFECTUEES A BASSE TEMPERATURE ET EN DETERMINONS L'ORIGINE. ENFIN, NOUS PRESENTONS UN PHENOMENE ORIGINAL D'AUGMENTATION DE LA TRANSCONDUCTANCE AVEC LA POLARISATION DE SUBSTRAT. LE TROISIEME CHAPITRE TRAITE DES EFFETS DE PORTEURS CHAUDS. NOUS ANALYSONS EN DETAIL LES COURANTS DE GRILLE ET DE SUBSTRAT ET PRESENTONS DES RESULTATS RELATIFS AU VIEILLISSEMENT DES COMPOSANTS. ENFIN, LE PHENOMENE D'EMISSION DE PHOTONS EST ANALYSE. LE QUATRIEME CHAPITRE PRESENTE UNE ETUDE COMPARATIVE DES METHODES D'EXTRACTION DE LA LONGUEUR EFFECTIVE DE CANAL ET DES RESISTANCES SERIE. NOUS PROPOSONS CERTAINES AMELIORATIONS PERMETTANT D'UTILISER CES METHODES POUR LES COMPOSANTS FORTEMENT SUBMICRONIQUES. LE CINQUIEME CHAPITRE EST UN TRAVAIL DE CARACTERISATION ELECTRIQUE DE TRANSISTORS AVANCES REALISES AVEC DIFFERENTES ARCHITECTURES. NOUS COMPARONS UN DOPAGE CONVENTIONNEL OBTENU PAR IMPLANTATION DE BORE A UN DOPAGE RETROGRADE REALISE PAR IMPLANTATION D'INDIUM.
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L'OBJETCTIF DE CETTE THESE EST LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION DES TRANSISTORS MOS-SOI COMPLETEMENT DEPLETES DANS LA GAMME DES HAUTES TEMPERATURES (25C - 300C). LE PREMIER CHAPITRE EST UN BREF RAPPEL DES PRINCIPAUX AVANTAGES DE LA TECHNOLOGIE SOI POUR DES APPLICATIONS HAUTES TEMPERATURES. UNE RELATION ENTRE LES MODELES EMPIRIQUE ET PHYSIQUE DE LA MOBILITE EFFECTIVE DES PORTEURS EST ETABLIE DANS LE DEUXIEME CHAPITRE. CETTE RELATION EXPLIQUE LE ROLE DE TROIS PRINCIPAUX MECANISMES DE COLLISIONS DANS LE MODELE EMPIRIQUE AINSI QUE LA VARIATION DE SES PARAMETRES AVEC LA TEMPERATURE. LE TROISIEME CHAPITRE EST RELATIF A LA VARIATION DE LA TENSION DE SEUIL (V#T#1) ET DU SWING (S) AVEC LA TEMPERATURE. NOUS ETUDIONS LA SENSIBILITE A LA TEMPERATURE DE V#T#1 ET DE S EN FONCTION DE LA LONGUEUR DE CANAL, DE L'EPAISSEUR DU FILM ET DE LA POLARISATION DE LA GRILLE ARRIERE. LA DIFFERENCE ENTRE DES TRANSISTORS A CANAL D'INVERSION ET D'ACCUMULATION EST EGALEMENT DISCUTEE. DANS LE DERNIER CHAPITRE NOUS DEVELOPPONS UNE METHODE POUR L'EXTRACTION DU GAIN DU TRANSISTOR BIPOLAIRE PARASITE. EN NOUS BASANT SUR LES VALEURS EXPERIMENTALES, NOUS PRESENTONS UN MODELE POUR LE GAIN EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ET DES POLARISATIONS DE DRAIN ET DE GRILLE. ENSUITE, NOUS PROPOSONS UNE TECHNIQUE POUR LA SEPARATION DES EFFETS DE CANAL COURT, DE SUBSTRAT FLOTTANT ET D'AUTO-ECHAUFFEMENT EN UTILISANT LA VARIATION DE LA CONDUCTANCE DE SORTIE AVEC LA TEMPERATURE. EN CONCLUSION, NOS ETUDES ONT MONTRE QUE LA TECHNOLOGIE SOI COMPLETEMENT DEPLETEE REPOND A TOUTES LES EXIGENCES DES CIRCUITS INTEGRES HAUTES TEMPERATURES. CEPENDANT L'OPTIMISATION DES DISPOSITIFS EST INDISPENSABLE POUR GARANTIR LE FONCTIONNEMENT CORRECT DES CIRCUITS AUX TRES HAUTES TEMPERATURES.
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LA DEGRADATION DES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES STATIQUES DE TRANSISTOR MOS SBMICRONIQUES EST ETUDIEE APRES UNE CONTRAINTE ELECTRIQUE DE LONGUE DUREE DU TRANSISTOR POLARISE EN SATURATION. DE NOUVELLES METHODES DE CARACTERISATION DU TRANSISTOR SONT PROPOSEES. UN MODELE ANALYTIQUE UNIDIMENSIONNEL DE DEGRADATION DES PRINCIPAUX PARAMETRES EST PRESENTE, ET PERMET DE CORRELER CES DIFFERENTS PARAMETRES DE DEGRADATION
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L'ETUDE DES EFFETS DE PORTEURS CHAUDS POUVANT INDUIRE UNE DEGRADATION ELECTRIQUE DES CIRCUITS INTEGRES EST D'UNE GRANDE IMPORTANCE POUR LES COMPOSANTS AVANCES. DANS LES TRANSISTORS FORTEMENT SUBMICRONIQUES, LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION A TEMPERATURE AMBIANTE ET A BASSES TEMPERATURES DE L'IONISATION SECONDAIRE PAR IMPACT ET DU COURANT DE GRILLE QUI EN RESULTE, COMPLETEE PAR L'ETUDE DE L'EMISSION LUMINEUSE LIEE A CE MECANISME, ONT ETE MENEES A BIEN, APPORTANT UNE MEILLEURE COMPREHENSION DE LA GENERATION DE PORTEURS CHAUDS DONT L'ENERGIE EST RESPONSABLE DE LA CREATION D'ETATS D'INTERFACE ET DE LA DEGRADATION DES PERFORMANCES DES COMPOSANTS. TIRANT PROFIT DE L'ACCELERATION DU VIEILLISSEMENT ELECTRIQUE PAR L'INTENSIFICATION DE L'IONISATION SECONDAIRE, UNE NOUVELLE METHODE DE PREDICTION DE LA DUREE DE VIE DES TRANSISTORS DANS LEURS CONDITIONS NOMINALES DE POLARISATION EST PROPOSEE. ENFIN, L'IMPACT DU TYPE DE CONTRAINTE ELECTRIQUE ET DE L'ARCHITECTURE TECHNOLOGIQUE SUR LA FIABILITE DES COMPOSANTS SONT ETUDIES.
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LA REDUCTION DES DIMENSIONS DES DISPOSITIFS ELEMENTAIRES FORMANT DES CIRCUITS INTEGRES A ETE RENDUE POSSIBLE PAR LE PROGRES DE LA TECHNOLOGIE, NOTAMMENT LA LITHOGRAPHIE ET LES TECHNIQUES DE GRAVURE SECHE. L'EVOLUTION DE LA TECHNOLOGIE VERS LES STRUCTURES MICROELECTRONIQUES ET SUBMICRONIQUES A FAIT EMERGER DE NOUVEAUX PROBLEMES LIES A LA FIABILITE DES COMPOSANTS. CERTAINS PARMI EUX QUI POUVAIENT ETRE NEGLIGES DANS L'ANALYSE DU FONCTIONNEMENT DES TRANSISTORS MOS DE GRANDES DIMENSIONS, DEVIENNENT TRES IMPORTANTS POUR LES TRANSISTORS SUBMICRONIQUES. NOTRE ETUDE CONSISTE A ETUDIER LE TRANSISTOR MOS ET LES PHENOMENES LIES A LA REDUCTION DE LA LONGUEUR DU CANAL. NOUS NOUS SOMMES PARTICULIEREMENT INTERESSES A DEUX EFFETS: L'EFFET DE MULTIPLICATION PAR AVALANCHE ET L'EFFET D'AUTOECHAUFFEMENT DU TRANSISTOR. NOUS AVONS PRESENTE UNE NOUVELLE APPROCHE SIMPLE ET RAPIDE QUI TIENT COMPTE DU PREMIER EFFET. NOUS AVONS PRESENTE UN DEUXIEME MODELE QUI TIENT COMPTE DE LA VARIATION DE LA TEMPERATURE DANS LE CANAL, CONSEQUENCE DE L'AUGMENTATION DE LA PUISSANCE DISSIPEE PAR EFFET JOULE DANS LE TRANSISTOR. NOUS AVONS REMARQUE QUE NOS APPROCHES NE PERMETTAIENT QU'UNE VUE GLOBALE DES EFFETS DE DEGRADATION DU TRANSISTOR MOS, AUSSI NOUS LES AVONS INTRODUIT DANS LE MODELE A CHARGES DISTRIBUEES (MCD). CE DERNIER SUBDIVISE LA ZONE ACTIVE DU CANAL EN PLUSIEURS CELLULES, CE QUI PERMET D'AVOIR ACCES A TOUS LES PARAMETRES DU MODELE LE LONG DU CANAL. NOUS AVONS CONTRIBUE A RENDRE CE MODELE SUBMICRONIQUE PAR UNE REEVALUATION DE LA LONGUEUR DU CANAL, ET NOUS Y AVONS INTRODUIT L'EFFET D'AVALANCHE ET L'EFFET THERMIQUE. LE MODELE MCD ETANT LOURD EN TEMPS DE CALCUL, NOUS AVONS INTRODUIT AUSSI NOTRE APPROCHE A UNE MODELE SIMPLIFIE: LE MODELE UNICELLULAIRE, FONDE SUR LES MEMES BASES QUE LE MCD ET CONSIDERANT LE CANAL COMME UNE SEULE CELLULE DONT LA LONGUEUR EFFECTIVE EST CALCULEE DE LA MEME MANIERE QUE DANS MCD. POUR APPREHENDER L'APPORT DE NOS DEUX MODELES, UNE VALIDATION EN DEUX ETAPES, A EU LIEU. LA PREMIERE CONSISTE EN UNE IMPLANTATION DE NOS MODELES DANS LE LOGICIEL UTMOST (SILVACO DATA SYSTEM). LA SECONDE EN UNE COMPARAISON AVEC LES MEMES PARAMETRES DE LA SIMULATION ET DES MESURES EFFECTUEES SUR LA TECHNOLOGIE SUBMICRONIQUE DU CNET GRENOBLE, LA CMOS1T, DONT LA LONGUEUR ELECTRIQUE MINIMALE EST DE 0.8 M. LA CONCORDANCE ENTRE LES RESULTATS THEORIQUES ET EXPERIMENTAUX EST BONNE POUR UNE LARGE GAMME DE LONGUEURS DE CANAL ET DE TENSIONS APPLIQUEES.
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CE MEMOIRE EST CONSACRE A LA CARACTERISATION ET A L'ANALYSE DE LA DEGRADATION ENGENDREE PAR LES INJECTIONS DE PORTEURS CHAUDS DANS LES TRANSISTORS MOS SUBMICRONIQUES ET MESOSCOPIQUES. LE PREMIER CHAPITRE DECRIT LES PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR MOS EN INSISTANT SUR LES EFFETS DE CANAUX COURTS ET, PLUS PARTICULIEREMENT, SUR LES PHENOMENES DE GENERATION ET INJECTION DE PORTEURS CHAUDS DANS L'OXYDE DE GRILLE. DIFFERENTES METHODES DE CARACTERISATION DE LA DEGRADATION INDUITE SONT ENSUITE RESUMEES ET COMPAREES DANS UN DEUXIEME CHAPITRE, CECI TOUT EN SOULIGNANT LE CARACTERE INHOMOGENE DE LA ZONE DE DEFAUTS. LE TROISIEME CHAPITRE PRESENTE UNE ANALYSE DU VIEILLISSEMENT DE TRANSISTORS MOS SUBMICRONIQUES ISSUS DE FILIERES CMOS AVANCEES. L'ETUDE MENEE SUR UNE LARGE GAMME DE LONGUEURS DE CANAL (0,4 M A 2 M) A PERMIS DE REVELER DE NOUVEAUX MODES DE DEFAILLANCE QUI SE MANIFESTENT AVEC LA REDUCTION DES DIMENSIONS ET, PAR SUITE, DE PREDIRE A CHAQUE INSTANT LE PARAMETRE LE PLUS SENSIBLE AU VIEILLISSEMENT. LA COMPARAISON DES DEGRADATIONS INDUITES DANS LES TRANSISTORS N- ET P-MOS PAR DES CONTRAINTES STATIQUES, ALTERNEES ET DYNAMIQUES, A CONFIRME LES DIFFERENTS MECANISMES DE DEFAILLANCE ET PERMIS DE DEFINIR UNE PROCEDURE POUR LA QUALIFICATION EN PORTEURS CHAUDS DES FILIERES CMOS. LE DERNIER CHAPITRE REPOSE SUR L'ANALYSE DES PERFORMANCES DE TRANSISTORS N-MOS ULTRA-COURTS (L=0,1 M). DE NOUVEAUX PHENOMENES DE TRANSPORT ONT ETE MIS EN EVIDENCE AINSI QU'UNE ZONE DE DEFAUTS UNIFORME APRES INJECTION DE PORTEURS CHAUDS. ENFIN, NOS RESULTATS MONTRENT POUR CES DISPOSITIFS UNE DUREE DE VIE SUPERIEURE A 10 ANS, CE QUI PERMET D'ETRE TOUT A FAIT OPTIMISTE POUR UNE UTILISATION FUTURE
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La miniaturisation croissante des circuits intégrés entraîne une augmentation de la complexité des procédés de fabrication où chaque nouvelle étape peut influer la fiabilité du composant. Les fabricants de semi-conducteurs doivent garantir un niveau de fiabilité excellent pour garantir les performances à long terme du produit final. Pour cela il est nécessaire de caractériser et modéliser les différents mécanismes de défaillance au niveau du transistor MOSFET. Ce travail de thèse porte spécifiquement sur les mécanismes de dégradation de type " Negative Bias Temperature Instability " communément appelé NBTI. Basé sur la génération d'états d'interface, la génération de charges fixes et de piégeage de trous dans l'oxyde, le modèle de dégradation proposé permet de prédire les accélérations en température et en champ électrique, d'anticiper les phénomènes de relaxation, tout en restant cohérent avec les caractères intrinsèques de chaque défaut et les modifications des matériaux utilisés. Ce travail de thèse ouvre le champ à de nouvelles techniques d'analyse basées sur l'optimisation des méthodes de tests et d'extraction de paramètres dans les oxydes ultra minces en évitant les phénomènes de relaxation qui rendent caduques les techniques conventionnelles. Ainsi, une nouvelle technique dite " à la volée " a été développée, et permet d'associer à la fois la mesure et le stress accéléré à l'aide de trains d'impulsions appropriés. Finalement, une nouvelle méthodologie est développée pour tenir compte des conditions réelles de fonctionnement des transistors, et une approche novatrice de compensation du NBTI est proposée pour des circuits numériques et analogiques.
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Les innovations technologiques récentes ont permis le développement de transistor MOS de faibles dimensions, ayant des longueurs de canal et des largeurs de grille inférieures au micromètre. Cela permet de réaliser des circuits à forte densité d'intégration pour des applications à l'électronique. Cependant, la réduction des dimensions fait apparaître toute une gamme d'effets parasites et modifie ainsi les mécanismes de conduction avec l'apparition de nouveaux phénomènes ou des phénomènes qui n'étaient pas dominants dans des structures plus larges. Ceci entraîne un changement du fonctionnement du transistor ainsi que de leurs paramètres électriques. La réduction des dimensions, et en particulier de la longueur de grille des transistors MOS donne naissance à un problème de fiabilité qui était inconnu lors de l'utilisation de transistors à canal long. Les phénomènes de dégradation provenant des forts champs électriques deviennent importants avec la réduction des dimensions engendrant des défauts notamment aux interfaces oxyde-semiconducteur (SiO2-Si) ainsi que dans l'oxyde de grille, ce qui provoquent un vieillissement plus rapide de ces composants. Nous présentons dans ce contexte, une étude réalisée sur des transistors nLDD-MOSFETs submicroniques issus de technologie 0,6[masse volumique]m de MATRA-MHS-TEMIC, s'appuyant sur quatre objectifs principaux : détermination des paramètres de conduction, analyse des caractéristiques I-V sur la jonction drain-substrat, étude du comportement du transistor bipolaire dans les transistors MOS (source = collecteur, substrat = base, drain = émetteur) et étude du comportement des transistors MOS suite à une irradiation ionisante Co-60, afin d'évaluer leur dégradation
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L'OBJET DE CETTE THESE EST DE CONTRIBUER A L'ANALYSE ET A L'OPTIMISATION DES MATERIAUX SOI ET AU DEVELOPPEMENT DE MODELES PHYSIQUES ET DE METHODES DE CARACTERISATION ADAPTEES AUX DISPOSITIFS SOI. DANS LE PREMIER CHAPITRE, NOUS RAPPELONS L'INTERET DE LA TECHNOLOGIE SOI, SES AVANTAGES ET SES INCONVENIENTS PAR RAPPORT A LA TECHNOLOGIE SI MASSIF. LE DEUXIEME CHAPITRE EST CONSACRE A LA CARACTERISATION DU MATERIAU, EN UTILISANT LA TECHNIQUE -MOSFET, METHODE TRES APPROPRIEE POUR COMPARER LA QUALITE ET LES PARAMETRES ELECTRIQUES DES DIFFERENTES STRUCTURES SOI. UNE ANALYSE APPROFONDIE DE LA VALIDITE DE CETTE TECHNIQUE EST REALISEE PAR SIMULATION NUMERIQUE. LA TECHNIQUE -MOSFET EST ENSUITE APPLIQUEE A L'ANALYSE DE PLUSIEURS MATERIAUX SOI ET DE CERTAINS PROCEDES TECHNOLOGIQUES. LE TROISIEME CHAPITRE PORTE SUR LA CARACTERISATION DES DISPOSITIFS SOI FINIS, AVEC UNE ETUDE DETAILLEE DU FONCTIONNEMENT EN HAUTE ET BASSE TEMPERATURE. NOUS PRESENTONS UNE ANALYSE DE TRANSISTORS SOI ULTIMES : (A) LE FONCTIONNEMENT EN BASSE TEMPERATURE DU DT-MOS EST ETUDIE EXPERIMENTALEMENT ET SES AVANTAGES PAR RAPPORT AUX STRUCTURES CLASSIQUES SONT MIS EN EVIDENCE ; (B) DES MESURES SUR DES TMOS ULTRA-MINCES DEMONTRENT LEUR FONCTIONNALITE AINSI QUE L'IMPACT DE MECANISMES PHYSIQUES PARTICULIERS (INVERSION VOLUMIQUE, FORT COUPLAGE DES INTERFACES, EFFETS QUANTIQUES). LE QUATRIEME CHAPITRE EST CONSACRE A L'ANALYSE ET A LA MODELISATION DES MECANISMES TRANSITOIRES DANS LES TMOS/SOI. DIFFERENTS TYPES DE TRANSITOIRES DU COURANT DE DRAIN (OVERSHOOT ET UNDERSHOOT, SIMPLE ET DOUBLE GRILLE) SONT MESURES ET SIMULES AVEC ATLAS ET SOI-SPICE. CES PHENOMENES SONT UTILISES A L'EXTRACTION DE LA DUREE DE VIE DES PORTEURS, PARAMETRE ESSENTIEL QUI REFLETE LA QUALITE DU FILM SOI.
Author: Chiên Nguyen-Duc
Author: Chiên Nguyen-Duc
Author: Bertrand Szelag
Author: GUENTER.. REICHERT
Author: Béatrice Cabon
Author: Bertrand Marchand
Author: SAMIA.. MOUSSAOUI
Author: Nathalie Revil
Author: Mickaël Denais
Author: Hazri Bakhtiar
Author: Daniela Munteanu