resumé_sujet de thèse

SUJET DE THESE
Etude à l’échelle nanométrique par sonde locale de la fiabilité de diélectriques minces et de la
dégradation de dispositifs MOS
Les propriétés électriques en général et la fiabilité (rupture diélectrique) en particulier des
capacités MIM ou MOS utilisées dans les circuits intégrés sont mesurées sur des dispositifs dont la
surface varie typiquement entre le millimètre carré et le centième de micromètre carrés. Le travail
mené en collaboration entre le LTM et STMicroelectronics, a démontré l’utilité du C-AFM sous ultra
vide pour l’évaluation, à minima comparative, de la fiabilité des diélectriques sans recourir aux
coûteuses étapes de fabrication (lithographie, gravure, interconnexions,…). Il a été notamment
démontré grâce un protocole expérimental combinant un AFM en mode de conduction (C-AFM) sous
ultra vide ainsi que des capacités intégrées standards, que le champ de claquage et le temps au
claquage (TDDB) suivent la même distribution statistique de Weibull pour des surfaces millimétrique
jusqu’à l’échelle nanométrique [1]. Notamment les facteurs d’accélérations et les pentes de Weibull
sont identiques [2] et les distributions des temps au claquage sont les mêmes pour toute cette échelle
de surface. Enfin le caractère bimodal de la distribution des temps de claquage sur les empilements
SiON/HfSiON avec grille métallique des oxydes de grille utilisés pour les technologies 32/28 nm
(HKMG) persiste à l’échelle nanométrique [2].Les résultats déjà obtenus [2] montrent que l’approche
de mesures électriques par C-AFM en Ultravide sont utilisables du point de vue industriel tout en
apportant des données fondamentales.
L’objet de l’étude proposée est d’étendre l’approche de la fiabilité à l’echelle nanoscopique
d’une part en étendant le type de mesures et d’autre part en utilisant la pointe AFM (en condition
d’ultra vide) comme grille sur des Transistors MOS afin d’étudier localement leur dégradation en
fonctionnement.
Les mécanismes de claquage et de dégradations du diélectrique de grille sont le plus souvent
corrélés, voir causés par du piégeage de charges. On utilisera aussi l’AFM en mode de mesure de force
électrostatique (EFM) afin de quantifier indépendamment des mesures électriques standards les
charges piégées. On envisage donc d’utiliser le C-AFM pour des mesures de type pompage de charge.
Ensuite l’étude portera sur une étude locale du vieillissement d’un dispositif industriel dont on
aura dans certains cas retiré la grille. En effet une des causes majeures du vieillissement des circuits
résulte d’une dégradation des performances des transistors car la tension de seuil dérive, en
fonctionnement prolongé. L’intérêt de l’utilisation de la pointe AFM sera de sonder la surface de la
grille afin de tenter de savoir s’il existe des lieux préférentiels de dégradation du transistor. Pour ce
faire il faudra modifier l’équipement existant pour pouvoir prendre des contacts sur les sources et
drains des transistors, soit utiliser un équipement déjà amélioré qui existe au Leti. Des mesures par
sonde locale de BTI (Bias Temperature Instability) ainsi que l’étude par sonde locale de l’effet des

porteurs chauds pourront être effectuées. Ce type de mesure pourra être appliqué aussi bien à des
structures Bulk qu’à des structures FDSOI utilisées pour les technologies C32, C28 et C20.
Ce travail de thèse sera mené en collaboration tripartite entre le LTM/CNRS le CEA-Leti et
STMicroelectronics dans le cadre du Laboratoire Commun.
Correspondants : Martin Kogelschatz, LTM-CNRS/UJF
Serge Blonkowski, STMicroelectronics
François Martin, CEA-Leti
Directeur de thèse : Patrice Gonon, LTM-CNRS/UJF
[1] C. Sire, S. Blonkowski, M. Gordon, T. Baron, Appl. Phys. Lett. 91, 242905 (2007)
[2] P.Delcroix, S.Blonkowski, M. Kogelschatz, M. Rafik ,O. Gourhant , D. JeanJean , R.
Beneyton, D.Roy ,X.Federspiel, F.Martin, X.Garros, H.Grampeix, R.Gassilloud. INFOS
(2011)