Analyse par Microscopie à Force Electrostatique (EFM)

Dans le but de confirmer la présence de charges à l’interface, nous avons profité de la polyvalence de l’AFM en réalisant une analyse du potentiel de surface sur l’échantillon HfSiON/SiON après un stress en tension. La microscopie à force électrostatique (EFM), qui permet de détecter des variations de forces électrostatiques, est décrite en détail dans le chapitre 2 (§2.4.4).

Sur la figure 3.16.a, on peut observer que le potentiel de surface mesurée en absence de stress est différent de zéro. C’est la différence des travaux de sortie entre la pointe AFM et l’échantillon qui est responsable de ce décalage. On remarque également que la courbe d’amplitude mesurée sur l’oxyde de grille chargé révèle une faible variation du potentiel de surface par rapport à l’oxyde non chargé provenant du potentiel additionnel créé par les charges piégées. Cependant, les pointes diamants ayant un faible facteur de qualité, les pics de résonance élargis ne permettent pas une bonne détection de la variation. De plus, ces pointes ayant un rayon de courbure plus grand que les pointes habituellement utilisés pour l’EFM, en plus de la zone chargée, une large surface autour de la zone de

89 charge restée intact contribue au potentiel de surface mesuré. Cela a pour effet de masquer le décalage de la courbe d’amplitude provoqué par la présence des charges piégées.

L’étude a été poursuivie en utilisant des pointes Iridium-Platine (IrPt) qui possèdent un facteur de qualité élevé (40 000) et un rayon de courbure plus faible que les pointes diamant. A titre de comparaison, les résultats obtenus sur l’empilement non stressé et stressé avec les deux types de pointes sont montrés en figure 3.16.b. On peut voir que les profils enregistrés avec les pointes IrPt présentent des pics de résonnance plus étroits et permettent d’avoir une meilleure sensibilité.

Figure 3.16: Amplitudes d’oscillation mesurées à une fréquence fixe en fonction de la tension appliquée avec une pointe diamant conductrice, à 50 nm au-dessus d’un oxyde non chargé et d’un oxyde chargé par stress à 4,7V (a). Comparaison des résultats obtenus au-dessus d’un oxyde non chargé avec une pointe diamant (la courbe obtenue pour la pointe diamant a été multiplié par 7 ou une pointe PtIr (b). La pointe PtIr permet de

faire des mesures EFM avec une meilleure précision.

Figure 3.17 : Amplitudes d’oscillation mesurées à une fréquence fixe en fonction de la tension appliquée avec une pointe IrPt, à 50 nm au-dessus d’un oxyde non chargé et d’un oxyde chargé par stress à 4,7V

pendant 10s. Pour les deux conditions deux courbes sont représentées. Pour l’oxyde non chargée la reproductibilité est bonne. Pour l’oxyde chargé, le nombre de charges injectées peut varier entre deux

mesures.

90 La figure 3.17 met en évidence les résultats obtenus avec les pointes IrPt. Sur cette figure, deux courbes correspondante à l’oxyde non stressé obtenues à deux positions différentes ont été tracées en noir et en gris. Leur superposition montre la bonne reproductibilité des mesures par EFM. Deux mesures effectuées sur l’oxyde ayant vu une tension de 4,7V pendant 10 secondes sont également représentées. Les potentiels de surface après stress, extraites à partir des profils de la figure 3.18 sont égales à 0,72 et 0,64V. Cette différence de potentiel peut provenir d’un nombre différent de charges injectées dans l’oxyde lors du stress.

La variation du potentiel de surface observée étant directement reliée à la charge totale injectée, il est possible comme décrit dans [11, 12], de calculer la densité effective totale de charges piégées à l’interface des deux matériaux. Le modèle décrit dans le paragraphe 2.4.4.2 a été appliqué aux résultats expérimentaux présentés dans la figure 3.18. En supposant que les charges sont réparties dans un disque de 5nm de rayon, les densités de charges effectives piégées extraites sont égales à 3.7·1013 cm-2 et 3,3·1013 cm-2 respectivement pour les deux décalages de potentiel de surface mesurés. On peut remarquer que cette valeur est très proche de la valeur extraite par ajustement (3.3.1013 cm-2).

3.5. Conclusion

Grâce à la faible surface de contact entre la pointe et l’échantillon, il a été possible d’effectuer des tests de durée de vie sur la structure d’oxyde de grille High- et sur la couche interfaciale seule. La comparaison des résultats des TDDB à permis de montrer expérimentalement que la couche interfaciale gouverne la fiabilité de l’empilement NMOS HK/IL du nœud 28nm au niveau des temps de claquage les plus longs. Ainsi, les hauts percentiles des distributions bimodales partagent les mêmes paramètres de forme et d’échelle que les distributions de la couche interfaciale seule. Il s’agit de la première preuve expérimentale que la probabilité de claquage des empilements de grille High- est gouvernée par la fiabilité des deux couches qui les composent. A partir des paramètres extraits pour l’oxyde de grille IL/High-, une loi d’extrapolation de la durée de vie en tension et en surface a été déduite permettant de prédire la statistique de défaillance à l’échelle du dispositif. Les caractéristiques I(t) de l’échantillon bicouche semblent montrer un chargement progressif de l’oxyde. Il a aussi été possible de déterminer par microscopie à force électrostatique la présence d’une densité de charges piégées de l’ordre de 1013cm-2, et d’expliquer grâce à cette densité, la faible différence du paramètre d’échelle extrait entre la couche interfaciale seule et les hauts percentiles de l’oxyde High-.

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Bibliographie du Chapitre 3

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4. Effet d’un pré-stress en tension sur la fiabilité