4. Effet d’un pré-stress en tension sur la fiabilité des oxydes de grille simple
4.2 Etude de l’impact des décharges électrostatiques sur des dispositifs
Afin de définir une mesure de la robustesse ESD c’est-à-dire son niveau de défaillance ESD, différentes techniques ont été développées. Ces méthodes tentent de reproduire les différentes formes d’ondes en courant générées lors des événements ESD (Human Body Model, Charge Device Model) en reproduisant la charge et la décharge des composants. Cependant, ces tests sont destructifs, par conséquent ils n’apportent pas d’information sur la compréhension du
95 comportement de la structure de protection. Afin de caractériser physiquement les événements ESD et les phénomènes de dégradation qu’ils induisent, de nouvelles méthodes ont été élaborées. Ces dernières reposent sur la génération de pulses d’énergie et de durée contrôlées afin de reproduire au mieux les décharges électrostatiques. Il est alors possible d’adopter différents points de vue afin d’étudier la fiabilité des oxydes de grille soumis à une impulsion. Dans la suite de ce chapitre, deux approches seront abordées :
La réalisation de distributions statistiques des temps au claquage à l’échelle de temps des événements ESD
L’étude de distributions statistiques des tBD après l’application d’une impulsion.
4.2.1. Distributions statistiques des tBD à l’échelle de temps des événements ESD
La réalisation de protections adaptées contre les évènements ESD nécessite notamment la connaissance de la probabilité de claquage au cours d’une décharge électrostatique. Afin d’identifier le modèle décrivant cette statistique, il est possible de mesurer le temps au claquage de l’oxyde lors de l’impulsion. Pour cela, une impulsion de durée et de tension fixée est déclenchée à chaque mesure, la différence de potentiel et le courant au niveau de la grille sont mesurés lorsque l’échantillon ressent l’impulsion, comme montré dans la figure 4.2.a. Le claquage diélectrique est alors détecté lors de l’élévation subite du courant qui s’accompagne d’une chute de tension. La réalisation de distributions cumulées de temps au claquage pour différentes tensions de décharge [5] a révélé que le caractère Weibullien des distributions était conservé pour les échelles de temps de la centaine de nanosecondes correspondant aux durées usuelles des ESD [6].Figure 4.2: Forme d’onde en tension ressentie au niveau de l’oxyde de grille lors d’une impulsion de 100ns. Le claquage diélectrique est détecté durant l’impulsion grâce à la mesure du courant à travers l’oxyde de
grille (a). Distributions des temps au claquage dans la gamme de temps des ESD (b) [5].
96 De plus, la modélisation de l’évolution du temps t63% mesuré pour W=0 en fonction de la tension a
montré que la loi d’accélération de puissance pouvait être étendue aux temps très courts pour extrapoler la durée de vie selon la tension de l’impulsion. La statistique des temps de claquage lors d’un événement ESD est donc similaire à celle obtenue lors de mesures CVS classiques. Dans ces études, les décharges provoquent le claquage diélectrique de l’oxyde avec un temps au claquage inférieur à la durée du pulse. Les impulsions sont donc destructrices.
Cependant, afin de mieux comprendre les phénomènes de dégradation menant à la rupture, il est intéressant de s’intéresser à la fiabilité de l’oxyde après application d’une décharge non destructive.
4.2.2. Effet de pré-stress sur la fiabilité des oxydes de grille
Les décharges électrostatiques, de manière similaire aux stress à tension constante sont capables de mener au claquage diélectrique. Les impulsions déclenchées sont donc à l’origine de dégradations dans l’oxyde. Ainsi, même en cas d’évènements d’ESD non destructifs, des dégradations peuvent être générées, fragilisant ainsi la fiabilité de l’oxyde de grille. Afin d’identifier les phénomènes initiés dans l’oxyde par une impulsion, des études se sont intéressées aux probabilités de défaillance faisant suite à une décharge sur des dispositifs micrométriques [7, 8, 9]. Chaque mesure de tBD est réalisée par un
test CVS classique sur un échantillon ayant subi une impulsion pré-stress. La figure 4.3 montre un exemple de distributions cumulées des tBD enregistrées à 3V sur des dispositifs de 1,2µm² non
stressés, et ayant été soumis à un pré-stress de 10µs à 4V [7].
Figure 4.3 : Comparaison des distributions cumulées tBD obtenues à 3V pour des oxydes de 1,5nm non
stressés et stressés avec une impulsion de 10µs à 4V avec une surface de test de 1,2µm² [7].
La comparaison des distributions de la figure 4.3 révèle l’effet du pré-stress sur la fiabilité de l’oxyde de grille. On peut voir que les décharges entraînent une diminution de la pente de Weibull. Les auteurs [7] interprètent cette réduction des tBD, très prononcée pour les bas percentiles, par le
caractère cumulatif du claquage diélectrique. Le pré-stress consommerait une fraction de la durée de vie du dispositif, ce qui peut être vu au niveau de la distribution comme le retrait d’un temps constant pour chacun des points de la distribution. Les abscisses étant en ln(t), le retrait d’un temps
97 consommé tC va grandement affecter les tBD les plus courts donc les bas percentiles tandis qu’il sera
négligeable devant les tBD les plus long.
Une étude similaire a été réalisée mais en s’intéressant cette fois aux probabilités cumulées de tension de claquage VBD [10]. Les auteurs ont soumis des capacités NMOS avec un oxyde de grille de
7nm d’épaisseur à des impulsions de 1,3 à 5 secondes, ainsi qu’a des séries d’impulsion de 100ns (Fig.4.4). Les distributions de défaillance enregistrées mettent également en évidence la diminution de la pente de Weibull.
Figure 4.4 : Comparaison des distributions cumulées VBD obtenues à 3V pour des oxydes de 7nm non
stressés et stressés avec une impulsion de 10µs à 4V avec une surface de test de 1,2µm² [10].
En se basant sur des mesures de capacité en fonction la tension ainsi que des mesures I(V), les auteurs ont conclu que les pré-stress favorisait le piégeage de charge dans l’oxyde ainsi qu’à l’interface Si/SiO2 [10].
En conclusion, il a été montré à l’échelle du dispositif que les propriétés principales du claquage diélectrique (pente de Weibull et facteur d’accélération) extraites pour les temps habituels des mesures TDDB sont conservées à l’échelle de temps des décharges ESD. En revanche, à cette échelle les décharges ESD non destructrices semblent affecter légèrement la fiabilité des oxydes.