Philippe CHIQUET

Université d’Aix Marseille
Ecole Doctorale 353 : Physique, Modélisation et Sciences pour l’Ingénieur
Philippe CHIQUET
Ingénieur ISEN
Mémoire de Thèse
ETUDE ET MODELISATION DES COURANTS TUNNEL.
APPLICATION AUX MEMOIRES NON-VOLATILES
Composition du jury :
Gérard GHIBAUDO Phelma - Grenoble INP Rapporteur
Alain SYLVESTRE Université Joseph Fourier Rapporteur
Pascal MASSON Université de Nice Examinateur
Carole PLOSSU INSA Lyon Examinatrice
Arnaud REGNIER ST Microelectronics Rousset Examinateur
Frédéric LALANDE Université d’Aix-Marseille Directeur de thèse
Gilles MICOLAU Université d’Avignon Encadrant
Romain LAFFONT Université d’Aix-Marseille Encadrant
Année 2012-2013

Table des matières
1 Propriétés électriques de l’empilement semiconducteur-oxyde-semiconducteur 17
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Modélisation de la capacité SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 Calcul des concentrations de porteurs de charges . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.3 Résolution de l’équation de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.4 Calcul du courant tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3 Confrontation du modèle aux mesures de capacité SOS . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.1 Structures de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.2 Principe de la mesure quasi-statique de capacité . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.3 Implémentation numérique du modèle de capacité . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.4 Extraction des paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.5 Validité du modèle de capacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4 Mesure et simulation du courant tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.1 Mesures statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.2 Difficultés d’extraction des paramètres Fowler-Nordheim . . . . . . . . . . . 38
1.5 Phénomènes physiques avancés dans les capacités SOS . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5.1 Effets quantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5.2 Effet des forts dopages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.5.3 Ionisation par impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2 Etude des courants transitoires 59
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2 Mesures dynamiques : principe et protocole expérimental . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.1 Présentation du banc de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.2 Réglages pour mesures non dégradantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.3 Capacité des câbles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3 Premières observations expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4 Modélisation du courant transitoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.1 Exemple de résultat de mesure dynamique de courant . . . . . . . . . . . . 65
2.4.2 Modélisation des différents phénomènes physiques . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.3 Comparaison entre le modèle et la mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.4.4 Détermination du diagramme de bande en régime quasi-statique . . . . . . 82
2.5 Comparaison avec la littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.6 Cas des tensions de grille positives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.7 Premier modèle de multiplication des porteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3

TABLE DES MATIÈRES 4
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3 Influence de la dégradation de l’oxyde sur les caractéristiques électriques 99
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2 Charges piégées dans l’oxyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.1 Charges piégées dans le volume de l’oxyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.2 Etats d’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3 Mécanismes de dégradation de l’oxyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.1 Negative Bias Temperature Instability (NBTI) . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.2 Anode Hole Injection (AHI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4 Effets de la dégradation de l’oxyde sur le courant mesuré . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4.1 Méthode d’étude de la dégradation de l’oxyde . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4.2 Identification des principaux mécanismes de dégradation . . . . . . . . . . . 110
3.4.3 Caractérisation du mécanisme de dégradation NBTI à partir du courant de
grille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.4.4 Mesure non dégradante du courant de grille . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.5 Caractérisation des pièges dans l’oxyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.1 Mesure du courant tunnel pendant un CVS positif . . . . . . . . . . . . . . 115
3.5.2 Mesure de capacité quasi-statique et mesure des états d’interface . . . . . . 116
3.5.3 Mesure de capacité dynamique avant et après CVS positif . . . . . . . . . . 117
3.5.4 Nature locale de charge positive piégée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4 Application aux mémoires non-volatiles 133
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.1 Cas des mémoires EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.2 Opérations électriques réalisées sur la cellule EEPROM . . . . . . . . . . . 135
4.1.3 Enjeux de la modélisation des dispositifs mémoire . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2 Calcul du potentiel de grille flottante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2.1 Modèle électrique équivalent de la cellule EEPROM . . . . . . . . . . . . . 139
4.2.2 Implémentation numérique du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.3 Capacités parasites et calibration du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3 Résultats de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4 Validation du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.4.1 Mesure des tensions de seuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.4.2 Calibration et comparaison avec les mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.5 Intérêt du modèle pour les mémoires non-volatiles et possibles applications . . . . 154
4.5.1 Apports du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.5.2 Application à l’exploitation des mesures de rétention sous polarisation . . . 155
4.6 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Bibliographie 172
A Annexes 173
A.1 Intégrales de Fermi-Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
A.2 Calcul de la position des niveaux de Fermi dans les électrodes . . . . . . . . . . . . 173
A.3 Résolution de l’équation de Poisson et calcul de la charge dans le semiconducteur . 175
A.4 Barrières de potentiel et coefficients de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Thèse P.CHIQUET

TABLE DES MATIÈRES 5
A.5 Extraction des paramètres de la capacité MOS (grille métal) . . . . . . . . . . . . 179
A.6 Etats d’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Thèse P.CHIQUET