L’extraction des paramètres tunnel s’appuie sur la comparaison entre
caracté-ristique expérimentale I
g(V
g) d’un empilement de grille et modélisation du courant
de grille. Les paramètres Na (niveau de dopage du Silicium), V
FBet les épaisseurs
physiques des matériaux diélectriques, grandeurs nécessaires à cette modélisation,
sont pleinement connus et extraits grâce à la caractéristique expérimentale C(V
g).
Dans cette partie, nous cherchons à rendre compte de l’ensemble des
caractéris-tiquesI
g(V
g)à l’aide d’un modèle tunnel 2D. Pour s’affranchir de toute composante
thermiquement assistée, seules les caractéristiques mesurées à basse température
(80K) seront considérées. L’objectif est ici d’arriver à rendre compte du courant
dans les différents empilements à l’aide d’un unique jeu de paramètres tunnel, et
ce afin de préserver et garantir la cohérence souhaitée lors de la réalisation des
échantillons (procédé de dépôt HfO
2identique sur tous les empilements).
Le modèle tunnel présenté dans la partie 2 a tout d’abord été validé sur les
2 empilements SiO
2RTO - Polysilicium. La Figure 3.29 montre l’excellent accord
entre l’expérience et la simulation à 80K comme à 400K, en considérant que l’EOT
est égal à l’épaisseur physique de SiO
2. L’absence d’activation thermique observée
dans le paragraphe précédent était donc bien caractéristique d’un transport tunnel
dans l’oxyde et non d’un transport TAT élastique assisté par des pièges profonds. Les
paramètres tunnel utilisés sont les paramètres standards du SiO
2, à savoir m
SiO2=
0,5m
0etϕ
SiO2= 3,1eV.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 T= 80K - 400K (empilement ii) (empilement i) T= 80K - 400K C o u r a n t d e g r i l l e I g [ A . m -2 ] Tension de grille Vg [V] Expérience Modèle tunnel 2DFigure 3.29 – Courant de grille expérimental et simulé des empilements SiO
2-Polysilicium (ietii). Un modèle tunnel avec m
SiO2= 0,5m
0etϕ
SiO2= 3,1eVrend
bien compte du transport de 80 à 400K.
Ces paramètres, obtenus pour des oxydes RTO d’épaisseurs comprises entre1,5
et 2,5nm, peuvent être utilisés pour rendre compte du transport dans les oxydes
d’interface RTO des empilementsv,vietvii. Dans ces 3 empilements, seuls les
pa-ramètres tunnel du HfO
2sont donc désormais inconnus. La comparaison expérience
- modèle tunnel à basse température (voir Figure 3.30) permet de conclure à un
mécanisme de type tunnel à basse température et d’extraire les valeurs suivantes :
4. Extraction de paramètres en régime d’inversion
m
HfO2= 0,165m
0et ϕ
HfO2= 1,9eV. Ces 2 paramètres sont l’unique couple de
paramètres tunnel rendant compte de l’expérience et ont été identifiés de manière
indépendante : alors qu’une variation de la masse tunnel induit un décalage vertical
de la courbe I
g(V
g) simulée, un changement de hauteur de barrière n’a d’influence
que sur la pente de cette même caractéristique.
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 vii vi v T = 80K Experience Modèle tunnel 2D C o u r a n t d e g r i l l e I g [ A . m -2 ] Tension de grille Vg [V]
Figure 3.30 – Courant de grille expérimental et simulé des empilements IL -HfO
2- TiN (v, vi et vii) avec différentes épaisseurs d’IL RTO. Un modèle tunnel avec
m
IL= 0,5m
0,ϕ
IL= 3,1eV,m
HfO2= 0,165m
0et ϕ
HfO2= 1,9eVrend bien compte
du transport à 80K.
L’utilisation du même procédé de dépôt HfO
2dans l’ensemble des empilements
étudiés nous conduit à utiliser les mêmes paramètresHfO
2pour rendre compte des
niveaux de courant des empilements viii, ixet x (variantes de t
HfO2). Dans ce cas
précis, seuls les paramètres tunnel de l’IL chimique, sous-stœchiométrique et
ultra-mince, sont désormais inconnus. L’extraction de ces paramètres (voir Figure 3.31)
donne curieusement des paramètres tunnel similaires à ceux duSiO
2“idéal”.
Quelques remarques sur l’ajustement expérience - théorie dans le cas de ces 3
empilements :
– L’oxyde d’interface sous-stœchiométrique des empilements viii, ix et x
pré-sente des paramètres tunnel égaux à ceux duSiO
2. Ce résultat surprenant, et
non cohérent avec la valeurε
IL= 5ε
0précedemment extraite, peut s’expliquer
par une erreur lors de l’évaluation de l’épaisseur d’IL à partir des observations
TEM (erreur inhérente à ce type de mesure). Considérer une épaisseur d’IL
supérieure de 1 à 2Å à la valeur que nous avons utilisé conduirait à extraire
des paramètres tunnel plus faibles, et donc plus cohérents avec la natureSiO
x0.5 1.0 1.5 2.0 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 x ix viii T = 80K Expérience Modèle tunnel 2D C o u r a n t d e g r i l l e I g [ A . m -2 ] Tension de grille Vg [V]
Figure 3.31 – Courant de grille expérimental et simulé des empilements IL -HfO
2- TiN (viii, ix et x) avec différentes épaisseurs de HfO
2. Un modèle tunnel avec
m
IL= 0,5m
0, ϕ
IL= 3,1eV,m
HfO2= 0,165m
0etϕ
HfO2= 1,9eV permet de rendre
compte des niveaux de courant à 80K.
– Une des difficultés majeures est de considérer les mêmes paramètres tunnel
HfO
2pour l’ensemble des empilements high-κ. Pour chaque caractéristique,
un meilleur ajustement serait certes possible mais avec le risque de perdre la
cohérence de l’étude entre les différents empilements et conduirait à reproduire
la dispersion observée dans la littérature pour ces paramètres.
– L’ajustement est particulièrement bon pour l’empilement ix (t
HfO2= 3nm).
Les paramètres HfO
2, initialement extraits sur les empilements présentant
une épaisseur t
HfO2= cte = 3nm, reproduisent donc logiquement le
trans-port dans cet empilement. Dans le cas de l’empilement épais (dispositif x,
t
HfO2= 4,5nm), l’écart observé entre théorie et expérience peut à la fois être
caractéristique d’un transport TAT élastique à basse température (et donc
non reproduit par un modèle tunnel) ou un changement de phase
cristallo-graphique, entraînant un changement des paramètres du matériau. A ce stade
de l’étude, nous penchons plutôt pour cette dernière hypothèse. En effet, la
présence d’un régime TAT élastique induirait une composante additionnelle
au courant tunnel, alors qu’à fort champ, on observe que le courant
expé-rimental reste inférieur à cette seule composante tunnel. Nous laissons donc
volontairement cette question en suspens car seules des données de
caractéri-sation physique statuant sur la phase duHfO
2permettraient de conclure plus
clairement.
4. Extraction de paramètres en régime d’inversion
4.3 Conclusions
Cette étude a tout d’abord validé l’utilisation d’un modèle tunnel 2D pour rendre
compte du courant de grille en régime d’inversion dans des empilements SiO
2-Polysilicium. Le modèle développé reproduit fidèlement les caractéristiques I
g(V
g)
à l’aide des paramètres tunnel standards du SiO
2.
Lors de l’étude des empilements IL - HfO
2- TiN, l’apport de caractérisations
physiques complémentaires (observations TEM) s’est révélé indispensable pour
ca-ractériser la nature de l’oxyde interfacial. Réalisé par croissance RTO, il présente
un comportement SiO
2“pur” dans des gammes d’épaisseur comprises entre 1,2 et
2nm. Néanmoins, dans des empilements high-κprésentant un faible EOT, cet oxyde
d’interface est ultra-mince et réalisé durant le nettoyage chimique du substrat : il
présente alors une sous-stœchiométrie SiO
x, conduisant à une permittivitéε
ILplus
importante (tendant versε
Si= 12ε
0), voire des paramètres tunnel plus faibles.
La connaissance de l’oxyde interfacial des différents empilements a alors permis
d’aboutir à un consensus sur les paramètres tunnel HfO
2: m
HfO2= 0,165m
0et
ϕ
HfO2= 1,9eV. Dans la moyenne des valeurs de la littérature (voir Figure 3.25,
page 96), ces paramètres peuvent être considérés comme caractéristiques du HfO
2ALD après recuit à 600
◦C. Ils permettent de rendre compte du transport dans les
empilements testés, à l’exception du dispositif présentant une épaisse couche
high-κ de 4,5nm. Pour ce cas particulier, nous suspectons une cristallisation du HfO
2,
changement de phase induisant un changement des paramètres tunnel du matériau.
5 Extraction de paramètres en régime d’accumulation
Dans le document
Etude de la conduction électrique dans les diélectriques à forte permittivité utilisés en microélectronique
(Page 112-117)