Dégradation par porteurs chauds

Commençons par définir un porteur chaud (Hot carriers en anglais) : on appelle porteur chaud, tout porteur de charge ayant acquis une énergie cinétique importante, c’est-à-dire ayant été fortement accéléré sous l’effet d’un champ électrique intense. Le régime de porteurs chauds est mis à profit dans certains dispositifs pour programmer les mémoires non volatiles (Flash EEPROM) [95]. Pour les transistors MOSFETs ce phénomène est indésirable et peut entraîner des défaillances de fonctionnement des circuits [96–100]. L’expression dégradation par porteurs chauds regroupe les phénomènes de dégradation du transistor induits par ces porteurs fortement énergétiques.

1.3.4.1 Mécanisme de défaillance et modèle

Pour les transistor NMOS le mécanisme est décrit par le modèle de l’électron chanceux (LEM : Lucky Electron Model en anglais) [101, 102]. Typiquement, en régime saturé, la ré-gion désertée entre le point de pincement et le drain est une zone de champ électrique intense (Fig. 1.16(a)). Les électrons traversant cette zone se trouvant fortement accélérés, ils peuvent acquérir l’énergie nécessaire pour générer une paire électron-trou lors de collisions avec les atomes de silicium (ionisation par impact). Les électrons générés dans la ZCE (Zone de Charge d’Espace) peuvent se réorienter vers l’oxyde de grille. Certains électrons ont assez d’énergie (transmise lors de la collision) pour franchir la barrière de potentiel entre le semi-conconducteur et l’oxyde de grille. La majeure partie des porteurs participent au courant de grille, mais cer-tains peuvent se retrouver piégés dans des défauts cristallins à l’interface Si-SiO₂ ou dans l’oxyde [103–105]. Les charges piégées à l’interface Si-SiO₂ ou dans l’oxyde modifient les caractéristiques électriques des transistors, ce qui peut aboutir à la défaillance du circuit. Dans le même temps, les trous formés sont repoussés dans le substrat participant ainsi au courant de substrat. C’est la raison pour laquelle la mesure du courant de substrat est utilisée comme indicateur du taux de génération de porteurs chauds.

1.3. MÉCANISME DE DÉFAILLANCE DES CIs ANALOGIQUES CMOS 37

(a) Transistor NMOS (b) Transistor PMOS

FIG. 1.16 – Génération et injection de porteurs chauds

modèle similaire au LEM, celui du trou chanceux (LHM : Lucky Hole Model en anglais). Quand le transistor est polarisé en mode de saturation, les trous sont injectés dans la zone désertée près du drain. Comme avec le LEM, s’il acquiert assez d’énergie un trou peut générer une paire électron-trou par ionisation d’impact. Les électrons générés dans la ZCE du drain peuvent être re-dirigés vers l’oxyde et s’y retrouver piégés. Si la densité d’électrons piégés est suffisamment grande, la charge négative excessive attirera des trous vers l’interface Si-SiO₂. Ces charges positives au bord du drain forment une “prolongation” du drain (Fig. 1.16(b)). Ce phénomène a pour conséquence de réduire la longueur effective Le f f du transistor et une réduction de la valeur absolue de la tension de seuil.

1.3.4.2 Dégradation induite par les porteurs chauds

Comme nous venons de le voir, des porteurs chauds se retrouvent piégés à l’interface Si-SiO₂ou dans l’oxyde de grille des transistors MOS, ce qui modifie le comportement du disposi-tif MOS. C’est ce qu’on appelle la dégradation par porteurs chauds des transistors. Nous avons également vu que le mécanisme de dégradation était différent pour les NMOS et les PMOS. Nous allons maintenant voir que les dégradations occasionnées sont différentes dans le cas du NMOS et du PMOS.

Parmi les caractéristiques principales modifiées du NMOS, les études rapportent [102, 107, 108] une augmentation de la tension de seuil (Vt) et de la conductance de sortie (g_ds), ainsi qu’une baisse de la transconductance (gm). Pour le PMOS [109–111], comme nous l’avons vu la dégradation par porteurs chauds aboutit à la réduction de la longueur de grille effective (L_{e f f}). Par contre, contrairement au NMOS, on observe une réduction de la valeur absolue de la tension de seuil (|Vth|). Des travaux [112, 113] ont également montré que les porteurs chauds

augmentaient le niveau de bruit Flicker (ou bruit en 1/ f ) aussi bien pour les transistors de type n que de type p.

Un autre point important, les transistors NMOS et PMOS ne se dégradent pas à la même vitesse. En effet, pour être injectés vers l’oxyde les porteurs doivent dépasser la barrière de potentiel entre le silicium et le dioxyde de silicium qui est, à champ nul, de ∼ 4.8eV [106] pour les PMOS et ∼ 3.2eV pour les NMOS [101]. À taux d’ionisation équivalent, la dégradation dans les NMOS devrait donc être plus importante que dans les PMOS. Néanmoins la mobilité des trous dans le Si0₂est moins importante que celle des électrons. Ainsi, les trous ont une plus forte probabilité d’être piégés dans l’oxyde [114]. Mais finalement, les études montrent qu’à taux d’ionisation équivalent, la dégradation est plus importante dans les NMOS [113,115,116]. Le phénomène devient néanmoins un problème significatif à étudier dans les transistors PMOS submicroniques [117].

1.3.4.3 Modèle

Le LEM est basé sur deux principes [101, 102]. La variation des paramètres du transistor (gm, Vth...) est proportionnelle à la densité moyenne d’états d’interface et les états d’interface sont générés par des électrons chauds. On peut exprimer le premier principe ainsi :

∆P ∝ N_it (1.13)

avec P un paramètre quelconque du transistor et Nit la densité d’états d’interface. Un modèle pour la génération d’états d’interface a été proposé par Hu [102] :

 δNit δt  = K^e −Vc/(V_ds−V_dssat) 1 + AN_it I_ds W (1.14)

où A et K sont des paramètres dépendant de la technologie, V_dssat = Vgs− Vt est la tension de saturation, V_ds est la tension drain source, I_ds le courant drain source, W est la largeur du transistor et Vc est une tension proportionnelle à l’énergie nécessaire pour qu’un électron crée un état d’interface. Ce modèle aboutit à une variation des paramètres en puissance n-ième :

N_it ∝ (^Ids W^e

−Vc/(Vds−Vdssat)t)ⁿ ⇒ ∆P ∝ tⁿ

(1.15)

Les études s’accordent sur des valeurs de n comprises entre 0.35 et 1 [59,101,118]. Ce modèle, moyennant quelques modifications, est encore utilisé dans l’industrie microélectronique pour estimer les effets induits par la dégradation par porteurs chauds.