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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

FB

et 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

2

identique sur tous les empilements).

Le modèle tunnel présenté dans la partie 2 a tout d’abord été validé sur les

2 empilements SiO

2

RTO - 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

0

etϕ

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 2D

Figure 3.29 – Courant de grille expérimental et simulé des empilements SiO

2

-Polysilicium (ietii). Un modèle tunnel avec m

SiO2

= 0,5m

0

etϕ

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

2

sont 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

0

et 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

0

et ϕ

HfO2

= 1,9eVrend bien compte

du transport à 80K.

L’utilisation du même procédé de dépôt HfO

2

dans l’ensemble des empilements

étudiés nous conduit à utiliser les mêmes paramètresHfO

2

pour 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

0

précedemment 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

x

0.5 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

0

etϕ

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

2

pour 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

2

permettraient 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

IL

plus

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

0

et

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

2

ALD 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