7.1: Chemin de percolation
Le claquage de la couche diélectrique conduit, par définition, au passage d'un fort courant à travers le chemin de percolation. Lorsqu'il a lieu, la caractéristique I(V) retour indique un important courant, jusqu'à saturation du capteur. Ceci n'est pas observé dans la plupart des cas en raison de la déformation de la surface. C'est pourtant le résultat attendu lorsque l'on maximise le stress. La
figure 3.23 présente une courbe obtenue en utilisant une limite de courant à 10 pA. La figure 3.24 est une image topographique de la zone à gauche et une cartographie de courant à droite à -3 V sur la face arrière. Il apparaît que la surface est peu déformée. La zone stressée est l'objet d'un fort courant de fuite, il s'agit d'un spot de claquage.
Figure 3.23 : I(V) obtenue sur SiO2 4,2 nm avec limite de courant à 10 pA. La rampe retour indique la saturation du capteur.
Figure 3.24: Image topographique à gauche et cartographie de courant à droite obtenue à -3 V sur le substrat. Le point de claquage apparaît clairement.
Ce cas de figure est en fait exceptionnel alors que dans la plupart des cas une bosse est formée. L'application d'une limite de courant permet parfois cette observation. Cependant la dégradation peut se poursuivre si la tension diminue lentement après le claquage : une bosse peut apparaître. La figure 3.25 illustre des I(V) successives obtenues en un point, avec une limite de courant de 50 pA ainsi qu'une image topographique de la surface après le stress. Le retour à 0 V peut être considéré comme instantané puisque la vitesse de balayage au retour est cette fois fixée à une valeur nominale de 2000 V.s-1. Cette configuration permet une observation plus systématique du
claquage.
La première rampe de tension conduit au claquage du diélectrique, les I(V) suivantes sont caractérisées par un courant important à basse tension qui dépasse la limite de 50 pA avant 2V. On constate qu'il n'y a pas de déformation de la surface observable. Ces résultats nous permettent de conclure que la formation des bosses n'est pas inhérente au claquage diélectrique. Il s'agirait plutôt d'une conséquence possible qui aurait pour effet de le masquer.
Figure 3.25:A gauche des I(V) successives obtenues en un point avec limitation du courant à 50 pA et retour immédiat à 0 V. A droite l'image topographique après le stress le stress électrique. Le claquage a
manifestement eu lieu, et aucune bosse n'est formée.
7.2: Conduction des bosses
Le comportement électrique des bosses diffère sensiblement de celui d'une zone simplement claquée. La figure 3.26 représente une dizaine de caractéristiques I(V) obtenues à la suite sur un même point. La première rampe donne lieu à une montée subite du courant électrique pour atteindre un maximum et constituer un pic. On suspecte la formation de la bosse qui se formerait peu après le claquage. La courbe suit alors le même comportement que pour les rampes de tension suivantes avec une montée progressive du courant avec la tension. On constate que la couche ainsi dégradée fait l'objet d'un courant de fuite plus important que l'oxyde frais à tension modérée (inférieure à la tension de claquage). En revanche, elle est sensiblement moins conductrice à des tensions plus importantes. La figure 3.27 met ceci en évidence, la cartographie de courant obtenue sur une bosse pour une tension de substrat de -4 V montre un courant de fuite plus important sur la bosse. A l'inverse, pour une tension de -8 V, c'est l'oxyde frais environnant qui donne lieu à un fort courant de fuite, alors qu'il est modéré à travers la bosse. La couche fraîche est bien évidemment dégradée lors
de la cartographie.
Ce comportement a déjà été observé [12]. Le stress électrique conduit à l'injection de charges négatives dans l'oxyde, qui sont piégées dans les défauts préexistants ou générés. Ces charges constituent alors une barrière de potentiel supplémentaire et conduisent à un décalage de la courbe I(V) de quelques centaines de millivolts vers la droite suivant la relation liant la charge surfacique au décalage en tension.
ΔQ=−CoxΔV =−ϵ0ϵox
tox ΔV (3.3)
La densité surfacique de charges sature rapidement à une valeur de l'ordre de 1013 cm-2 quel que soit la qualité initiale de l'interface. L'épaisseur influe peu et la charge piégée semble correspondre aux défauts d'interfaces générés par le stress lui même. Ici, ce n'est pas la charge électrique piégée qui est en cause, car la courbe n'est pas décalée. Il s'agit bien d'une modification structurelle du diélectrique.
Il est important de noter que les courbes obtenues après dégradation, sont quasi- exponentielles. Il n'y a pas de mode de conduction à paramètres fixes qui puisse décrire ce comportement. Une première explication serait une dégradation en directe provoquant une augmentation du courant de fuite, on pense au courant tunnel assisté par piège par exemple. Cette hypothèse est à écarter, puisqu'à quelques fluctuations près, la mesure est répétable. La génération de défauts devrait être réversible pour justifier cette répétabilité. Une autre hypothèse est celle d'un mode de conduction fortement activé en température, tel l'émission thermoïonique. La température locale serait gouvernée par le courant, sans déphasage important. Cependant, le faible niveau de courant ne plaide pas en faveur de cette idée.
Figure 3.26 : 10 caractéristiques I(V) successives de 0 à -10 V sur SiO2 de 4,2 nm. Les rampes aller-retour sont représentées. Un pic de courant important apparaît lors de la première mesure, puis la structure atteint
un état stable.
Figure 3.27 : Image topographique d'une bosse obtenue par stress électrique à gauche, au centre, la cartographie de courant à -4 V, à droite la cartographie de courant à -8 V. La bosse est plus conductrice
que l'oxyde frais à tension modérée, c'est l'inverse à haute tension.