Fiabilité des diélectriques des dispositifs CMOS pour les applications automobiles : caractérisation et modélisation de l’effet fréquentiel sur le claquage diélectrique

Dielectric reliability of CMOS devices for automotive applications : characterization and modeling of the frequency effect on dielectric breakdown

• Auteur / Autrice : Melissa Arabi
• Direction : Gérard Ghibaudo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Ahmad Bsiesy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Alain Bravaix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs de puissance

Décharges électriques

Transistors MOSFET

Diélectriques

Mots clés libres

Tddb

Fiabilité

Diélectrique

Claquage

Fréquence

Transistor

Breakdown

Reliability

Dielectric

Breakdown

Frequency

Transistor

Résumé

L’industrie de la microélectronique a envahi notre vie quotidienne, on la retrouve particulièrement dans la communication, l’automobile, le médical, le spatial etc. Ce grand succès a été atteint grâce à la conception du transistor à effet de champ qui est conçu à des dimensions de l’ordre de la dizaine de nanomètres. Aujourd’hui, cette course à la miniaturisation a engendré de nouveaux défis dans cette industrie. En effet, de nouvelles contraintes industrielles liées à la fiabilité des dispositifs se sont imposées et ne doivent pas être négligées car cela remet en question le bon fonctionnement du circuit. Cette perte de fiabilité est principalement liée au vieillissement du transistor MOS comme le claquage d’oxyde, les instabilités en température, les porteurs chauds etc. A ce titre, Il est devenu nécessaire d’investiguer de nouvelles approches pouvant offrir davantage de gain en durée de vie pour les transistors MOS. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse. Parmi les modes de dégradation du transistor, celui qui limite le plus sa durée de vie est claquage d’oxyde de grille, ou communément appelé le TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown). C’est un claquage irréversible du diélectrique. Il correspond à la perte de la propriété isolante de l'oxyde de grille. Il survient lorsqu'un chemin de conduction (ou de percolation) entre la grille et le canal est créé par une accumulation des défauts qui entraîne une augmentation du courant de fuite et rend le transistor claqué.Les travaux de cette thèse est l’investigation des nouveaux axes de recherches permettant de dégager une marge significative sur la durée de vie avec l’analyse des effets dynamiques du claquage de grille. Cette étude s’appuie donc sur la caractérisation expérimentale de cette dégradation, en particulier pour les aspects fréquentiels du claquage du diélectrique, en proposant un élargissement de l’étude du claquage dans la gamme des hautes fréquences et cela en développant des méthodologies de mesure adaptées à cette gamme de fréquence. Nous proposons également une explication de l’origine des effets AC/DC ainsi qu’un modèle permettant de modéliser le mécanisme de dégradation du diélectrique au cours du temps dans un mode AC et un mode DC.

The microelectronics industry has invaded our daily lives, particularly in the communication, automotive, medical and space industries applications. This great success was achieved thanks to the field effect transistor which is designed to dimensions of around ten nanometers. Nowadays, this race to miniaturization has created new challenges, as new industrial constraints linked to devices reliability, have been imposed and must not be neglected in order to ensure the proper functioning of the circuit. This loss of reliability is mainly linked to MOS transistor ageing due to oxide breakdown, temperature instabilities, hot carriers etc. As such, it has become necessary to investigate new approaches that can offer more lifetime gains for MOS transistors. It is in this context that this thesis work is set. Among the degradation modes of the transistor, the one that most limits its lifetime is gate oxide breakdown, or commonly called TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown). This is an irreversible breakdown of the dielectric. It corresponds to the loss of the insulating property of the gate oxide. It occurs when a conduction (or percolation) path between the gate and the channel is created by an accumulation of defects which leads to an increase in leakage current and makes the transistor breakdown.for this purpose, the investigation of new lines of research, allowing a significant margin on the lifetime with the analysis of the dynamic effects of gate breakdown, has been achieved. This study is therefore based on the experimental characterization of this degradation, particularly for the frequency aspects of dielectric breakdown, by proposing an extension of the study of breakdown in the high frequency range and by developing measurement methodologies adapted to this frequency range. We also propose an explanation for the AC/DC effects origin and a new approach to model the dielectric degradation mechanism over time in an AC and DC mode.