Soutenance mémoire
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Structures MOS et MIM
La structure MOS, ou MIM (Metal-Insulator-Metal), est probablement l’un des composants les plus importants de la microélectronique et également l’un des plus simples. Il est l’élément essentiel dans la fabrication desMOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), les transistors à effet de champ qui on t maintenant dépassé le milliard d’exemplaires au sein d’un même processeur[Thèse-Bernardini2004].
En fonction de l’utilisation, les spécifications recherchées concernent soit la valeur de la capacité C, soit les courants de fuite dans ’isolant décrits par la caractéristique I-V (courant-tension), soit la linéarité en tension dela capacité décrite par la caractéristique C-V (capacité-tension). Les domaines suivants utilisent fréquemment les capacités MIM :
– Application radiofréquence (RF) :
Afin de limiter le phénomène de couplage électriqueentre les lignes d’interconnections, des capacités dites de découplage sont placées entre l’alimentation et la masse. Cette application est celle qui requiert les spécifications les moins contraignantes puisqu’elle est peu sensible aux courants de fuite, ne nécessite pas de linéarité en tension et requiert esd capacités se situant entre 2 et 1000 nF. La capacité MIM peut être aussi reliée àneu inductance et une résistance pour former un résonateur R-L-C (résistance-inductance-capacité). Dans cette dernière application, c’est la valeur de la capacité mais surtout sa stabilité en fonction de la tension appliquée qui est recherchéepour pouvoir garantir une fréquence constante lors de l’utilisation, et ce pour plusieurs dizaines d’années.
– Application analogique :
Les valeurs de capacité requises sont comprises entre 1 et 100 pF, soit plusieurs ordres de grandeur en dessous de celles nécessaires pour l’application de découplage. Ces applications nécessitent une grandelinéarité en tension et des courants de fuite très faibles.
– Application logique DRAM (Dynamic Random Access Memory) :
Une capacité MIM peut être utilisée comme élément’uned cellule mémoire [Mazoyer2003]. L’état logique de cette mémoire est alors définien fonction de la présence ou de l’absence de charges électriques auxbornes du dispositif. La sauvegarde de l’information étant primordiale dans ce type d’application, l’aptitude de la capacité MIM à maintenir les charges est ici un paramètre crucial : il faut donc limiter au maximum les courants de fuite dans l’isolant.
La figure 1.2 montre les schémas des deux types de capacités utilisées dans les microprocesseurs actuels, les capacités MOS et MIM,ainsi que leur diagramme de bande respectif.
Diélectriques high-k
Les différents phénomènes de conduction pouvant intervenir, et s’appliquant à la présente étude, sont les suivants Thèse[-Brière1996] :
– Le courant tunnel direct :
L’effet tunnel désigne la propriété que possède uneparticule à franchir une barrière de potentiel (l’épaisseur d’oxyde), franchissement impossible selon les principes de la mécanique classique mais pas selon ceux de la mécanique quantique. Généralement, la fonction d’onde d’une articulep ne s’annule pas au niveau de la barrière de potentiel, mais s’atténueà l’intérieur. Par conséquent, si à la sortie de la barrière de potentiel, la particule possède une probabilité de présence non nulle, alors elle peut traverser cette barrière. Dans le cas de la capacité, un porteur peut être transféré d’une électrode à l’autre à travers l’oxyde en l’absence de champ électrique, si le diélectrique est suffisamment mince (< 3 nm).
– Le courant tunnel Fowler-Nordheim :
Pour les diélectriques plus épais, l’effet tunnel n’est observable que si un fort champ électrique est appliqué. Ce champ aura ourp effet de modifier / abaisser la barrière de potentiel vers une forme triangulaire (réduisant ainsi virtuellement l’épaisseur d’oxyde vu par l’électron), permettant ainsi l’effet tunnel. C’est ce mécanisme de transport à travers une barrière triangulaire qui est dit du type Fowler-Nordheim [Simmons1963] [Simmons1963-b] [Thèse-Brière1996] [Thèse-Aziz2006].
– Le courant Poole-Frenkel :
Ce mécanisme de conduction est assisté par la présence de défauts (pièges) dans le diélectrique. Les électrons se propagent par sauts entre des états localisés dans la bande interdite du diélectrique qui sont supposés être des centres ionisés (donneurs d’électrons). Cet effet résulte de l’abaissement de l’énergie d’ionisation Ei de ces centres avec l’application d’un champ électrique.
Le tableau de la figure 1.3 regroupe ces différents courants, leur expression ainsi que le diagramme de bande représentatif du passage des électrons à travers l’épaisseur d’oxyde.
Ce phénomène se déclenche en général à partir d’uncertain seuil en champ ou en temps. Il concerne tous les isolants et constitue encore un domaine ouvert et complexe. Pour ce qui concerne les diélectriques solides utilisés dans les circuits, l’ordre de grandeur des champs de claquage est de 1 à une dizaine de MV .cm-1 soit de 10-2 à 10 -1 V.Å -1. Compte tenu que la force de rappel inter-ionique est de l’ordre de quelques eV.Å -2 à quelques dizaines d’eV.Å -2, le déplacement d’un ion serait de l’ordre de 10-3 Å pour un tel champ électrique. Cela montre que l’effet du champ seul sur la liaison est insuffisant.
La compréhension actuelle des mécanismes de défaillance repose sur la génération de défauts qui finissent par former un chemin conducteur. La génération de ces défauts peut s’expliquer soit par l’injection de porteurs s oit par la rupture de liaisons considérées comme réaction chimique. Dans le premier, cas la génération des défauts peut se produire soit par ionisation par impact [Shatzkes1976], soit par injection de trous depuis l’anode puis capture [DiMaria1993], soit par libération d’hydrogène DiMaria1997[-c]. Dans le second cas, le modèle thermochimique [McPherson1998-b] permet de calculer le nombre de défauts créés par unité de temps qui est proportionnel à une constante de réaction activée en température et en champ. On en tire unedurée avant claquage qui varie de manière exponentielle avec le champ. Une autre approche du phénomène complémentaire est l’approche statistique sur laquelle nous reviendrons plus en détail (cf. § 1.3).
En effet, prévoir les temps et tensions seuils en condition de fonctionnement réel des circuits constitue un des enjeux majeurs pour les fabricants de circuits intégrés. S’il est important de comprendre les causes de la rupture, il est aussi nécessaire d’en prévoir la durée de vie grâce à des tests accélérés. La rigidité diélectrique des oxydes de grille devenant de plus en plus fins conditionne en grande partie la durée de vie des dispositifs. Le sujet a fait l’objet de très nombreuses publications et pour une revue générale dans le cas de l’oxyde grille on pourra par exemple consulter [Lombardo2005].
Dans le cadre du présent travail de recherche, il nous a semblé utile d’illustrer certaines des définitions et modèles utilisés dansla compréhension des mécanismes de défaillance précités pour expliquer le claquage àraverst l’exemple des capacités MIM, en particulier dans le cas de structures TiN / HfO2 / TiN. Lorsque l’on soumet ces structures à une contrainte (stress) en tension, on observe une augmentation du courant dans le temps [Nafria1992] [Mondon2003]. Comme on peut le voir sur la figure 1.4, le courant augmente légèrement aux temps courts, c’est la phase de dégradation. Il s’ensuit une montée du courant bruitée avec des paliers, plus visible pourles faibles surfaces.
Topographie, rugosité et épaisseur
L’empilement Si / SiO2 est celui qui a été le plus étudié dans le monde de la microélectronique ces dernières décennies. L’expérience acquise assure donc une grande qualité de l’oxyde thermique et de ses interfaces avec le silicium. Une mesure de la topographie de l’oxyde avec l’AFM confirme la très faible rugosité de la surface, comme le montre la figure 3.8.
La mesure de la rugosité moyenne, faite à l’AFM sur une surface de 256 x 256 nm², indique une valeur de la rugosité RMS à ~ 0.1 nm. Comparée à la surface du HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite), dont la rugosité RMS mesurée avec la même pointe AFM est de l’ordre de ~ 0.05 nm, la surface du SiO2 est assurément une surface très plane, confirmant l’excellente qualité de la croissance thermique.
De plus, l’état de surface du SiO2 n’est pas modifié suite à plusieurs mesures topographiques avec la pointe. Les risques de détérioration de la pointe à cause de défauts présents à la surface sont donc très faibles. Enfin, aucune différence particulière entre les diverses épaisseurs d’oxyde, ou fonction de la nature des substrats utilisés (type P, type N, fortement dopés ou non), n’a été observée d’un point de vue topographique
Les claquages observés sur l’empilement Si / SiO2, comparés à ceux mesurés sur TiN / HfO2 et qui seront présentés par la suite (§ 3.3.2), sont tous réversibles (non destructeurs), c’est-à-dire avec l’apparition du CNAC (Courant Nanoscopique Après Claquage). C’est-à-dire qu’après le claquage, qui pour rappel est défini comme étant une brusque augmentation du courant après l’application d’une certaine tension (la tension de claquage Vbd), alors la mesure du courant à travers l’oxyde et suivant ce claquage n’est pas une simple conduction ohmique à travers un chemin conducteur. Il est à différencier du claquage irréversible (destructeur, ou HBD), qui une fois survenu créé simplement un chemin conducteur entre les deux électrodes de la capacité qui se retrouve court-circuitée et donc inutilisable en tant que telle.
La caractéristique électrique retrouvée après claquage semble liée à une épaisseur d’oxyde entre la pointe et le substrat qui serait énormément réduite suite à la venue du claquage. La totalité des mesures du courant « retour » garde son comportement exponentiel, propre à un courant de type tunnel ou Fowler-Nordheim, et donc à la présence d’une fine couche d’oxyde. Ceci peut être attribué à la très bonne qualité de l’oxyde thermique, dont le procédé de croissance est aujourd’hui très bien maîtrisé. Peut-être aussi que l’une des deux interfaces reste inaltérée suite au claquage, laissant alors une faible épaisseur d’oxyde.
En ce qui concerne les valeurs des tensions de claquage, et donc des champs de claquage si l’épaisseur d’oxyde est prise en considération, ces derniers augmentent lorsque l’épaisseur de SiO2 diminue (voir figure 3.12), ce qui va dans le sens des observations trouvées dans la littérature [Shatzkes1976].
Topographie après claquage
Lors des mesures des caractéristiques I-V à l’AFM, les topographies suivant les nombreuses mesures ont montré que l’état de la surface avait été modifié, à l’endroit même de la mesure [Wu2006-b]. En effet la formation d’une bosse en chaque endroit apparaît à la surface [Porti2002], comme le montre la figure 3.18 (l’échelle en Z a été volontairement augmentée). Le rapport de la hauteur sur la base de ces bosses ne représente que 5 %, ce qui parait dérisoire. Néanmoins compte tenu de l’effet lié à la géométrie de l’apex de la pointe, nous pouvons admettre un rapport bien plus élevé et considérer ces bosses comme extrêmement localisées.
Cet effet dépend directement de l’épaisseur du diélectrique. En effet, les bosses observées sont d’autant plus grandes que l’épaisseur d’oxyde augmente (voir figure 3.19). Si l’on considère un chargement de l’oxyde par piégeage de charges, celui-ci se ferait donc de façon volumique dans le diélectrique. Dès lors qu’un courant circule à travers l’oxyde, celui-ci se charge par piégeage [Zhang2006]. Les bosses apparentes sont plus élevées lorsque le claquage intervient, en particulier pour les HBD, où la bosse peut atteindre plusieurs fois l’épaisseur d’oxyde initiale. Cependant le cas de claquages de type HBD n’a été observé que dans le cas de l’oxyde high-k HfO2 sur TiN.
Sens d’injection et effet d’après claquage
Toutes les mesures de courant ont été effectuées de la manière suivante : en partant de V gap = 0 V, on augmente (ou diminue) la tension jusqu’au claquage (détecté automatiquement par le programme de mesure), puis on revient à Vgap = 0 V. Ensuite on effectue le même parcours mais vers la tension opposée, toujours au même point de la surface. C’est ce deuxième passage qui sera étudié pour ses effets historiques, en fonction de la première mesure et de son influence sur la seconde. Comme décrit précédemment lors des observations sur la dispersion, un des sens d’injection est plus destructeur que l’autre, du moins il altère ou modifie les propriétés électriques de l’oxyde plus facilement. Cet effet est néanmoins peu visible pour les échantillons de Si / SiO2, contrairement aux high-k qui seront décrits par la suite. Dans le cas présent des structures MOS étudiées (Si / SiO2), chacun des deux sens amène une forte dispersion des mesures lors du second passage (voir figure 3.25).
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 – Contexte
1.1 – Problématique
1.1.1 – Diminution des tailles et loi de Moore
1.1.2 – Structures MOS et MIM
1.1.3 – Diélectriques high-k
1.2 – Mesures électriques
1.2.1 – Courants et fuites à travers l’oxyde
1.2.2 – La rupture diélectrique
1.3 – Représentation statistique de Weibull
1.4 – Microscopie à force atomique (AFM)
1.4.1 – Présentation et principe de fonctionnement
1.4.2 – Utilisation du C-AFM dans la microélectronique
1.5 – Conclusion
Chapitre 2 – Dispositif expérimental
2.1 – Mesures de l’échelle micrométrique
2.1.1 – Présentation des capacités micrométriques
2.1.2 – Cartographie
2.1.3 – Mesures de courant
2.2 – AFM – Modifications instrumentales
2.2.1 – Contacts électriques
2.2.2 – Recuit et dégazage
2.2.3 – Utilisation de pointes diamantées
2.2.4 – Modification des portes échantillons
2.2.5 – Découplage du module MOCVD
2.2.6 – Ajout d’une résistance en série
2.2.7 – Augmentation des gammes en tension et en courant
2.2.8 – Application de la tension sur la pointe
2.2.9 – Ajout du mode EFM (Electrostatic Force Microscopy)
2.2.10 – Contrôle extérieur complet
2.3 – Protocole expérimental à l’échelle nanométrique
2.3.1 – Préparation et calibration
2.3.1.a – Préparation des échantillons
2.3.1.b – Préparation et calibration de la pointe
2.3.1.c – Autres paramètres
2.3.2 – Mesures statistiques
2.3.2.a – Programme de mesure
2.3.2.b – Mesures électriques et topographiques relevées
2.3.3 – Traitement des données
2.3.3.a – Topographie et rugosité
2.3.3.b – Dispersion des mesures
2.3.3.c – Claquage
2.3.3.d – Courant
2.4 – Conclusion
Chapitre 3 – Résultats expérimentaux
3.1 – Echantillons et matériaux étudiés
3.2 – Observations et résultats de l’échelle micrométrique
3.2.1 – Permittivité diélectrique
3.2.2 – Claquage
3.2.3 – Courant de fuite
3.3 – Observations et résultats de l’échelle nanométrique
3.3.1 – Si / SiO2
3.3.1.a – Topographie, rugosité et épaisseur
3.3.1.b – Courant
3.3.1.c – Claquage
3.3.1.d – Effet du dopage
3.3.1.e – Effet de l’épaisseur
3.3.1.f – Topographie après claquage
3.3.1.g – Dispersion des mesures
3.3.1.h – Sens d’injection et effet d’après claquage
3.3.2 – TiN / HfO2
3.3.2.a – Topographie, rugosité et épaisseur
3.3.2.b – Courant
3.3.2.c – Claquage
3.3.2.d – Effet du recuit du TiN
3.3.2.e – Effet de l’épaisseur
3.3.2.f – Topographie après claquage
3.3.2.g – Sens d’injection et effet d’après claquage
3.3.2.h – Dispersion des mesures
3.3.3 – TiN / ZrO2
3.3.3.a – Topographie, rugosité et épaisseur
3.3.3.b – Courant
3.3.3.c – Claquage
3.3.3.d – Effet de l’épaisseur
3.3.3.e – Topographie après claquage
3.3.3.f – Sens d’injection et effet d’après claquage
3.3.3.g – Dispersion des mesures
3.3.4 – TiN / HfSiO
3.3.4.a – Topographie, rugosité et épaisseur
3.3.4.b – Courant
3.3.4.c – Claquage
3.3.4.d – Topographie après claquage
3.3.4.e – Sens d’injection et effet d’après claquage
3.3.4.f – Dispersion des mesures
3.4 – Conclusion
Chapitre 4 – Interprétation et modélisation
4.1 – Comparaison des échelles
4.1.1 – Claquages et représentation de Weibull
4.1.2 – Surface de contact de la pointe
4.1.3 – Effet de la polarisation
4.1.4 – Effet de l’épaisseur
4.1.5 – Claquage et constante diélectrique
4.1.6 – Densité de défauts et champ de claquage
4.2 – Topographie après claquage
4.3 – Température du filament
4.4 – Courants
4.4.1 – Courant d’avant claquage
4.4.2 – Courant d’après claquage HBD
4.4.3 – Courant nanoscopique d’après claquage (CNAC)
4.5 – Effet de la polarisation
4.5.1 – Cyclages expérimentaux
4.5.2 – Dispersion
Conclusion générale
Références
Publications de l’auteur
Glossaire et abréviations
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