Bibliographie du chapitre 1

Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Nano-électronique et Nano- technologies
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
FOISSAC Romain
Thèse dirigée par Franck BASSANI
codirigée par Blonkowski Serge et Kogelschatz Martin
préparée au sein du Laboratoire des Technologies de la
Microélectronique (LTM-CNRS/UJF) du CEA/LETI et de
STMicroelectronics Crolles
à l'École Doctorale « Electronique, Electrotechnique,
Automatisme et Traitement du Signal » (EEATS)
Etude à l'échelle nanométrique par sonde
locale de la fiabilité et de la dégradation
de films minces d’oxyde pour
applications MOS et MIM
Thèse soutenue publiquement le « 13/05/2015 »,
devant le jury composé de :
Monsieur, Brice GAUTIER
Professeur INSA, Lyon, Rapporteur
Monsieur, Alain BRAVAIX
Professeur ISEN- IM2NP, Toulon, Rapporteur
Monsieur, Bruno GRANDIDIER
Directeur de Recherche CNRS-IEMN, Lille, Membre
Monsieur, Alain SYLVESTRE
Professeur CNRS-G2Elab, Grenoble, Président
Monsieur, Martin KOGELSCHATZ
Maître de conférence CNRS-LTM, Grenoble, Membre
Monsieur, Serge BLONKOWSKI
Ingénieur STMicroelectronics, Crolles, Membre
Monsieur, Franck BASSANI
Chargé de Recherche CNRS- LTM, Grenoble, Invité

Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP

Table des matières
Introduction Générale ..................................................................................... 1
1. Fiabilité électrique des oxydes..................................................................... 5
1.1 Propriétés et utilisation des oxydes ................................................................................. 5
1.1.1 Le transistor MOS ....................................................................................................................5
1.1.2 La capacité MOS ......................................................................................................................6
1.1.3 Tension de bandes plates Vfb ...................................................................................................8
1.1.4 Effet de champ dans la capacité MOS .....................................................................................8
1.2 Conduction Tunnel ............................................................................................................ 9
1.2.1 Origine du courant de fuite dans les oxydes ...........................................................................9
1.2.2 Courant tunnel Fowler Nordheim ........................................................................................ 10
1.2.3 Courant tunnel direct ........................................................................................................... 11
1.2.4 Modélisation du courant de conduction .............................................................................. 11
1.3 Evolution des oxydes de grille pour diminuer le courant de fuite ................................. 12
1.3.1 Limites des oxydes de grille à base de silicium .................................................................... 12
1.3.2 Introduction des matériaux à haute permittivité (High-) .................................................. 13
1.4. Dégradation et défaillance d’un oxyde de grille au cours d’un stress .......................... 14
1.4.1 Mécanisme de dégradation.................................................................................................. 14
1.4.1.1 Ionisation par impact. ............................................................................................................. 15
1.4.1.2 Modèle Thermochimique ....................................................................................................... 15
1.4.1.3 Injection de trous de haute énergie (hot holes) à l’anode ..................................................... 16
1.4.1.4 Libération d’hydrogène à l’anode (AHR) ................................................................................ 16
1.4.1.5 Modèle Multi-Vibrationnel .................................................................................................... 16
1.4.2 La rupture diélectrique ......................................................................................................... 16
1.4.2.1 Mesures à tension constante (CVS). ....................................................................................... 17
1.4.2.2 Application de rampes en tension (RVS) ................................................................................ 18
1.4.2.3 Augmentation du courant de fuite après un stress ............................................................... 19
1.5. Etude statistique de la défaillance des oxydes de grille ................................................ 21
1.5.1 Distributions de Weibull ....................................................................................................... 21
1.5.2 Effet de l’épaisseur d’oxyde sur les distributions Weibulliennes de TDDB .......................... 24
1.5.3 Dépendance des distributions avec la tension ..................................................................... 25
1.5.4 Loi d’échelle en surface ........................................................................................................ 28

1.5.5 Distribution cumulée des TDDB des oxydes High-k à partir du nœud 28nm ....................... 30
1.6. Interprétation des distributions de Weibull et Bimodales ............................................ 32
1.6.1 Modèle à génération aléatoire de défauts........................................................................... 33
1.6.1.1 Modèle de Monte Carlo Cinétique (kMC) .............................................................................. 33
1.6.1.2 Modèle statistique de Suñe ................................................................................................... 35
1.6.2 Effet de l’épaisseur d’oxyde sur les distributions Weibulliennes de TDDB .......................... 37
1.6.2.1 Modèle à chemins de conduction corrélés ............................................................................ 37
1.6.2.2 Modèle filamentaire .............................................................................................................. 38
1.7. Objectif de la thèse ........................................................................................................ 40
2. La Microscopie à Force Atomique .............................................................. 47
2.1 Invention et principe....................................................................................................... 47
2.2 Pointes AFM utilisées ...................................................................................................... 49
2.2.1 Présentation des pointes conductrices ................................................................................ 49
2.2.2 Estimation de la surface de contact pointe/échantillon ...................................................... 51
2.3 Dispositif expérimental ................................................................................................... 52
2.3.1 AFM en mode conducteur sous ultravide ............................................................................ 52
2.3.2 Préparation et calibration de la pointe ................................................................................ 54
2.3.3 Préparation des échantillons ................................................................................................ 57
2.4. Mesures réalisées par AFM .......................................................................................... 57
2.4.1 Mesures topographiques ..................................................................................................... 57
2.4.2 Mesures électriques ............................................................................................................. 59
2.4.3 Application de pulse ............................................................................................................. 61
2.4.4 Mesures électrostatiques ..................................................................................................... 62
2.4.4.1 Calcul du potentiel de surface ................................................................................................ 62
2.4.4.2 Calcul de la densité de charge ................................................................................................ 64
2.5. Etude de la rupture diélectrique et de la dégradation par C-AFM ............................... 66
2.6. Conclusion ..................................................................................................................... 67
3. Conséquences du caractère bicouche des oxydes de grille High-k sur le
claquage diélectrique .................................................................................... 73
3.1 Introduction .................................................................................................................... 73
3.1.1 Modèles d’extrapolation en tension .................................................................................... 73
3.2 Distributions cumulatives de défaillance obtenues par C-AFM ..................................... 74
3.2.1 Rôle du C-AFM ...................................................................................................................... 74

3.2.2 Caractérisation topographique de la couche interfaciale SiON (1,4nm) ............................. 75
3.2.3 Etude de la fiabilité de la couche interfaciale SiON ............................................................. 76
3.2.4. Vérification de l’absence de joints de grain sur la couche High-k ....................................... 78
3.2.5. Etude de la fiabilité de l’oxyde de grille HfSiON (1,7nm)/SiON (1,4nm) ............................. 80
3.2.6. Influence du nombre de mesures sur l’extrapolation de la durée de vie ........................... 83
3.3 Extrapolation des distributions bimodales aux tensions d’utilisation ........................... 84
3.4. Charges piégées lors d’un stess en tension ................................................................... 87
3.4.1 Analyse par ajustement multi-varié ..................................................................................... 87
3.4.2 Analyse par Microscopie à Force Electrostatique (EFM)...................................................... 88
3.5. Conclusion ..................................................................................................................... 90
4. Effet d’un pré-stress en tension sur la fiabilité des oxydes de grille simple
couche et bicouche ....................................................................................... 93
4.1 Phénomènes de décharges électrostatiques sur les composants électroniques dans le
milieu industriel .................................................................................................................... 93
4.1.1 Génération de charges dans les composants électroniques ............................................... 93
4.1.2 Décharges électrostatique dans les composants électroniques .......................................... 94
4.2 Etude de l’impact des décharges électrostatiques sur des dispositifs ........................... 94
4.2.1 Distributions statistiques des tBD à l’échelle de temps des événements ESD ................... 95
4.2.2. Effet de pré-stress sur la fiabilité des oxydes de grille ........................................................ 96
4.3 Effet de pré-stress sur la fiabilité des oxydes à l’échelle locale ..................................... 97
4.4 Effet d’un pré-stress sur les caractéristiques électriques de la couche interfaciale ...... 98
4.4.1 Validation du système générateur d’impulsion et caractérisation électrique de l’oxyde
après pré-stress ............................................................................................................................. 99
4.4.1.1 Application de pulses positifs .................................................................................................. 99
4.4.1.2 Application de pulses négatifs ............................................................................................... 101
4.4.2 Effet d’un pré-stress sur les distributions cumulées de TDDB ........................................... 102
4.4.3 Equivalence entre les distributions cumulées de TDDB et VBD .......................................... 103
4.4.4 Effet d’un pré-stress sur les distributions cumulées de tensions de claquage .................. 105
4.5 Interprétation des distributions statistiques après pré-stress ..................................... 107
4.5.1 Additivité des stress ........................................................................................................... 107
4.5.2 Réduction du paramètre de forme .................................................................................... 108
4.6 Interprétation de la réduction de paramètre de forme des distributions ................... 111
4.6.1 Modèles existants de réduction du paramètre  ............................................................... 111
4.6.2 Mécanisme de percolation invasive par croissance filamentaire ..................................... 112