Bruit électrique basse fréquence comme outil de diagnostic non

Bruit ´electrique basse fr´equence comme outil de
diagnostic non destructif pour des technologies MOS
submicroniques et nanom´etriques
Bogdan Cretu
To cite this version:
Bogdan Cretu. Bruit ´electrique basse fr´equence comme outil de diagnostic non destructif pour
des technologies MOS submicroniques et nanom´etriques. Electronique. Universit´e de Caen,
2013. <tel-01073864>
HAL Id: tel-01073864
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01073864
Submitted on 10 Oct 2014
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Université de Caen Basse-Normandie
Mémoire
présenté et soutenu le : 10/12/2013
par
Bogdan - Mihail CRETU
pour obtenir l’
Habilitation à Diriger des Recherches
Bruit électrique basse fréquence comme outil de
diagnostic non destructif pour des technologies MOS
submicroniques et nanométriques
Jury
M. Gérard GHIBAUDO
Directeur de Recherche CNRS à l’INP Grenoble, IMEP-LAHC, INPG-MINATEC (rapporteur)
M. Matteo VALENZA
Professeur des universités à l’Université Montpellier 2, IES (rapporteur)
M. Régis CARIN
Professeur des universités à l’Université de Caen, GREYC (rapporteur)
M. Eddy Simoen
Professeur Dr. Ir. à l’Université de GAND, Senior Researcher à l’IMEC (examinateur)
M. Jean-Guy TARTARIN
Professeur des universités à l’Université Toulouse 3, LAAS-CNRS (examinateur)
M. Jean-Marc ROUTOURE
Professeur des universités à l’Université de Caen, GREYC (examinateur)

TABLE DE MATIERS
AVANT-PROPOS ................................................................................................................ i
PARTIE I : INTRODUCTION GENERALE
I.1 Bruit basse fréquence - rappels ...................................................................................................... 3
I.2 Théories de bruit intrinsèque dans les transistors MOS en basse fréquence ........................... 4
I.2.1 Localisation des sources de bruit intrinsèques ............................................................................. 4
I.2.2 Le bruit blanc ................................................................................................................................ 6
I.2.3 Bruit de génération – recombinaison ............................................................................................ 6
I.2.4 Bruit de scintillement ou en
1
f
.................................................................................................. 8
I.2.4.1 Fluctuations du nombre de porteurs ...................................................................................... 8
I.2.4.2 Fluctuations de la mobilité des porteurs .............................................................................. 11
I.2.4.3 Discussion du bruit en
1
f
.................................................................................................. 11
I.3 Les architectures MOSFETs étudiées ......................................................................................... 14
I.3.1 Transistors MOSFET partiellement déplétés sur substrat SOI .................................................. 16
I.3.2 Transistors pMOS à canal en germanium .................................................................................. 17
I.3.3 Transistors FinFET ..................................................................................................................... 17
I.3.4 Transistor UTBOX sur substrat SOI .......................................................................................... 18
I.4 Méthodologie .................................................................................................................................. 19
PARTIE II : ETUDE DU BRUIT EN
1
f
II.1. Chapitre 1 : Transistors MOSFET à canal p en germanium sur substrat silicium .............. 25
II.1.1 Fonctionnement à température ambiante .............................................................................. 25
I1.1.1.1 Origine de bruit en
1
f
....................................................................................................... 25
I1.1.1.2 Corrélation entre le niveau de bruit basse fréquence et la mobilité des porteurs .............. 27
II.1.2 Fonctionnement en fonction de la température ..................................................................... 28
I1.1.2.1 Origine de bruit en
1
f
à basse température ..................................................................... 28
I1.1.2.2 Discussion succincte sur le bruit en 1
f
γ
........................................................................... 30

II.2. Chapitre 2 : Impact des techniques de contraintes sur le comportement en bruit basse
fréquence des FinFETs............................................................................................................................................ 32
II.2.1 FinFETs ayant un diélectrique à haute permittivité diélectrique de type HfO
2
.................... 32
I1.2.1.1 Spectres de puissance de bruit. Bruit inhabituel observé. Modélisation empirique du bruit
inhabituel. ............................................................................................................................................. 32
I1.2.1.2 Analyse du bruit inhabituel ................................................................................................... 34
I1.2.1.3 Origine du bruit inhabituel ................................................................................................... 38
I1.2.1.4 Origine du bruit en
1
f
dans le FinFET à HfO
2
................................................................ 39
II.2.2 FinFETs ayant un diélectrique à haute permittivité diélectrique de type HfSiON .............. 40
I1.2.2.1 Spectres de puissance de bruit. ............................................................................................. 40
I1.2.2.2 Origine du bruit en
1
f
dans les FinFETs à HfSiON ........................................................ 40
I.2.2.2.1 Fonctionnement à température ambiante. ..................................................................... 40
I.2.2.2.2 Fonctionnement à basse température. ........................................................................... 42
II.3. Chapitre 3 : Etude du bruit dans des transistor UTBOX sur substrat SOI ........................... 45
II.3.1 Spectres de puissance de bruit. .............................................................................................. 45
II.3.2 Couplage entre les interfaces avant et arrière ........................................................................ 45
II.3.3 Origine du bruit en
1
f
dans des transistors UTBOX avec une épaisseur de l’oxyde
enterré de 8 nm et une épaisseur de film de silicium de 16 nm. ........................................................................... 47
II.3.4 Origine du bruit en
1
f
dans des transistors UTBOX avec une épaisseur de l’oxyde
enterré de 8 nm et une épaisseur du film de silicium de 6 nm. ............................................................................ 48
II.4. Conclusion sur le bruit en
1
f
.................................................................................................... 51
PARTIE III : ETUDE DU BRUIT LORENTZIEN .........................................................
III.1. Chapitre 1 : Bruit Lorentzien lié à l’effet kink lineaire dans des transistors PD SOI ........... 57
III.1.1 Modélisation du bruit lorentzien dû au bruit filtré par un réseau
rC
.................................. 57
III.1.1.1 Description succincte de modèle proposé par Lukyanchikova ............................................ 58
III.1.1.2 Spectres de puissance de bruit lié à l’effet kink à différentes températures (80 K – 300 K) ..
............................................................................................................................................. 60
III.1.1.3 Modélisation du bruit associé au bruit blanc et au bruit lorentzien dû aux pièges filtrés par
le même réseau
eq eq
r C
. ...................................................................................................................................... 61
III.1.1.4 Validation du modèle de bruit associé au bruit blanc et au bruit lorentzien dû aux pièges
filtrés par le même réseau
eq eq
r C
...................................................................................................................... 65