Contribution au développement de nouvelles techniques de pompage de charge pour l'étude des défauts d'interface dans les transistors MOS silicium submicroniques
par Jean-Luc Autran
Thèse de doctorat en Dispositifs de l'Electronique Intégrée
Sous la direction de Bernard Balland.
Soutenue en 1994
à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (laboratoire) .
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Résumé
Notre contribution porte sur l'étude des défauts ponctuels aux interfaces isolant-semiconducteur. Nous avons développé, sur le plan expérimental, différentes approches de la technique du pompage de charge (à trois niveaux, spectroscopique, à basse fréquence) dans le but d'étudier, dans des transistors MOS silicium de petites géométries, les principales propriétés des défauts électriquement actifs à l'interface oxyde-semiconducteur. La première partie de notre travail a consisté à développer une instrumentation performante de cet ensemble de techniques et à évaluer ces méthodes en les comparant aux techniques conventionnelles de spectroscopie électrique. En particulier, nous montrons qu'il est possible de déterminer, grâce au pompage de charge à trois niveaux, la distribution énergétique des paramètres des pièges d'interface dans la quasi-totalité de la bande interdite du semiconducteur pour des structures fortement submicroniques dont l'aire de grille n'excède pas quelques microns carrés. Ces nouvelles techniques sont mises à profit dans la deuxième partie de notre travail, pour étudier la physique des défauts du système Si-SiO2 (100). Le cas des oxydes nitrurés minces (8 nm) a fait l'objet d'une étude particulière tout comme la caractérisation de différentes étapes technologiques d'une filière CMOS submicronique. Enfin, l'influence des rayonnements ionisants (rayonnements gamma) et d'une injection Fowler-Nordheim sur la réponse en pompage de charge du système Si-SiO2 a été analysée pour préciser la notion d'états rapides et d'états lents. Dans le cadre de cette étude, nous proposons une nouvelle méthode de pompage de charge pour caractériser, d'un point de vue spectroscopique, les pièges d'oxyde proches de l'interface (quelques nanomètres) qui interagissent électriquement avec le semiconducteur, via un mécanisme d'effet tunnel.
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Titre traduit
= Contribution to the development of new charge pumping techniques for the study of interface traps in submicronic MOS silicon transistors
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Résumé
Our contribution tums on the study of point defects at insulator-semiconductor interfaces. We have developed, from the experimental point of view, different methods of the charge pumping technique (3-level, spectroscopic, low frequency) in order to study, in smalt geometry silicon MOS transistors, the main properties of electrically active defects at oxide-semiconductor interface. The first part of our work was to develop a high performance instrumentation of all these techniques and to evaluate these methods by comparison with conventional electrical spectroscopy techniques. We have shown that it is possible to determine, by 3-level charge pumping, the energy distribution of interface-trap parameters in the entire semiconductor bandgap for submicronic devices with a gate area of about few square micrometers. These new techniques are used in the second part of our work for studying the physics of the defects of the (100) Si-Si02 system. The case of thin plasma nitrided gate oxides has been particularly investigated, like the characterization of different technologic steps of a submicronic CMOS process. Last, the influence of ionizing radiations (gamma rays) and Fowler-nordheim injection under the charge pumping response of the Si-Si02 system has been analyzed to specify the definition of fast and slow states. Within the framework of this study, we have proposed a new charge pumping method for characterizing, from a spectroscopic point of view, the oxide traps near the interface which can electrically communicate with the substrate via a tunneling mechanism.
