Etudes phénomènes de dégradation des transistos MOS de type porteurs chauds et Negative Bias Temperature Instability (NBTI)

Degradation phenomena in Mos transistors under Hot Carrier Stress (HC) and Negative Bias Temperature Instability (NBTI)

• Auteur / Autrice : Christelle Bénard
• Direction : Didier Goguenheim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-électronique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes thermiques

Porteurs chauds

Détérioration

Transistors MOSFET

Résumé

Ce travail de thèse traite des différents phénomènes de dégradation que peut subir un transistor MOSFET. Les deux modes de dégradation étudiés sont la dégradation par porteurs chauds, HC, et la dégradation NBTI. Dans une première partie, nous étudions de façon détaillée les phénomènes de relaxation caractéristiques des défauts générés par NBTI, afin de mieux comprendre les instabilités qui rendent si complexe la caractérisation de la fiabilité NBTI. Nous examinons, dans une seconde partie, les différentes méthodes de caractérisation du NBTI existantes à ce jour. Il en ressort que la seule technique aujourd’hui valable est la mesure ultra rapide de la tension de seuil évitant les phénomènes de relaxation. Ces études nous ont permis de mieux appréhender les dégradations NBTI en elles-mêmes. Nous avons pu décrire un modèle physique de dégradation NBTI, approuvé sur une vaste gamme de transistors (Tox=23Å jusque Tox=200Å). D’après ce modèle, un double phénomène de génération de défauts est à l’origine de la dérive des paramètres : la rupture d’une liaison Si-H qui génère un état d’interface et un piège à trous dans l’oxyde et le piégeage sur des défauts préexistants (important dans les oxydes fins Tox<32Å). En parallèle nous avons étudié la dégradation par porteurs chauds sur une large gamme de transistors. Cette étude a permis de mettre en avant des phénomènes de dégradation encore peu connus tels que le comportement anormal en température de la dégradation des transistors à basse tension, ou encore les conséquences de l’existence d’un double point chaud sur des structures LDD. La fin de cette thèse présente la relation entre les dégradations statiques, précédemment étudiées, et les dégradations dynamiques qui concernent la plupart des transistors dans leur mode de fonctionnement normal. Cette partie permet notamment de démontrer la contribution non négligeable de la dégradation HC dans la dégradation dynamique de type inverseur, où le temps NBTI est pourtant largement supérieur au temps HC.

This thesis work focuses on the different degradation phenomena that can affect a MOSFET. Two degradation modes have been specifically investigated: the Hot Carrier degradation and the NBTI degradation. In the first part, we fully study the relaxation phenomena specific of the defects generated by NBTI. This allows us to further understand the instabilities responsible for the characterization difficulty of the NBTI reliability. We examine in a second part the different existing NBTI characterization methods. It is made clear that, today, the only reliable method is the very fast Vt measurement which avoids any relaxation effect. Thanks to these studies, we have further interpreted the NBTI degradations. We have described a physical model of the NBTI degradation valid for all the studied transistors (Tox=23Å until Tox=200Å). According to this model, a double phenomenon of defect generation is responsible of the parameter shifts: the Si-H bond break which generates an interface state and a hole trap in the near oxide and the trapping on pre-existing defects (higher in thin oxides Tox<32Å). In parallel, we have studied the HC degradation on various transistors. This study has highlighted current degradation phenomena, still not well understood, as the abnormal temperature behavior of the degradation of low voltage transistors, or as the existing of two hot spots and its consequences in specific LDD structures. In the last part, we present the relation between static and dynamic degradations, more representative of the transistor normal conditions of use. This part proves, for example, that the HC contribution is not negligible in the degradation of an inverter gate, despite the fact that the NBTI period is much longer than the HC one