Historique du NBTI

Le transistor à effet de champ électrique en silicium fait ses premiers pas dans la microélectronique vers la fin des années 1960. À cette époque, les travaux portaient principalement sur le développement de recette d’oxydation du substrat pour former le diélectrique de grille du transistor. Les effets de l’orientation cristallographique du substrat étaient étudiés pour la croissance du diélectrique et les paramètres de fabrication de la croissance du diélectrique (température d’oxydation, atmosphère d’oxydation, étape de passivation…) afin d’obtenir une structure MOS suffisamment « harmonieuse ». L’épaisseur du diélectrique de grille était bien contrôlée et ne mesurait déjà que quelques centaines de nanomètres. Les lignes de métal étaient en aluminium, en chrome ou en or. La contamination extrinsèque (ion sodium Na⁺, ion chlorure Cl^-, ion potassium K⁺) était très problématique pour l’intégration des dispositifs MOS [28]. La qualité microélectronique (« pureté ») est très difficile à obtenir et la diffusion d’ions à travers le diélectrique de grille fait dériver les paramètres électriques du transistor. Les ions mobiles répondent très bien en température et à un champ électrique par diffusion à travers la structure. Une des façons de révéler une

contamination ionique est d’appliquer une contrainte NBT. Cette apparition de charges localisées est aléatoire et rend incontrôlables les paramètres électriques. Il était coutume d’appeler ces phénomènes des instabilités des paramètres électriques révélées sous contrainte du type NBT (Negative Bias Temperature Instability ou NBTI). Par la suite, ce terme a continué à être utilisé pour qualifier toute dérive des paramètres électriques lors d’une contrainte NBT. Les travaux publiés en 1967 par l’équipe de B.E. Deal du laboratoire de recherche et développement de Fairchild Semiconductor en Californie en 1967 [29] sont les premiers à exposer une création de défauts chargés lors d’une contrainte NBT. Leurs travaux sont basés sur la génération de charges d’interfaces pendant les recettes d’oxydation ainsi que leurs évolutions sous une contrainte électrique. Ils se rendent compte que lorsqu’un champ électrique négatif est appliqué à haute température, l’apparition d’une charge positive n’est cette fois-ci pas due à une contamination extrinsèque, mais est bel et bien due à une origine intrinsèque au dispositif et fortement liée à l’interface SiO2/Si. Ils mettent en évidence que cette apparition de charge présente, contrairement à une contamination, une très bonne reproductibilité sur un grand nombre d’échantillons et qu’elle a de fortes probabilités d’être issue d’une diffusion d’espèces a base d’atome de silicium (ions positifs) provenant du substrat, proche de l’interface, et diffusant vers l’oxyde sous l’effet du champ électrique. La Figure 1–10 représente l’excès de ces espèces siliconées en fonction de la profondeur dans le diélectrique de grille :

Figure 1–10 : Augmentation d’espèces ions « siliconés » à l’interface SiO₂/Si par diffusion par champ électrique du substrat vers le diélectrique [29]

Ces espèces siliconées augmenteraient pour Deal, la charge contenue dans le diélectrique (notée Q_SS sur le schéma) et ont pour principale conséquence un décalage la caractéristique

C-V. À partir de cette observation, l’équipe de Bell Telephone Laboratories [30] a approfondi l’étude de cette génération de charge sous contrainte, et mis en évidence la génération de défauts à l’interface SiO₂/Si dans la structure MOS avec notamment une distribution en énergie. Ils avaient noté que la distribution en énergie dans le gap du semi-conducteur des états d’interface générés pendant un NBTS dépendait du champ électrique à travers du diélectrique.

Figure 1–11: Distribution en énergie des états d’interface générés après 15 mns de NBTS [30]

Le travail de K.O. Jeppson et de M. Svensson publié en 1977 [31], est accepté par la communauté scientifique comme étant la première publication interprétant la dégradation sous une contrainte NBT. Ils travaillaient sur la fiabilité des mémoires non-volatiles p-MNOS qui avaient une très faible endurance. Ils parlent d’effets sous contraintes à tension négative et à haute température (Negative Bias Temperature Stress effects). Ils ont décomposé le mécanisme de dégradation en deux parties : la première, dominante à bas champ électrique et limité par le phénomène de diffusion, et la seconde, apparaissant à plus fort champ électrique et contrôlé par l’injection par effet tunnel de porteurs et le piégeage de trous. Ils proposent une libération de l’atome d’hydrogène à l’interface SiO2/Si. Ce modèle est à l’origine du modèle dit de « Réaction - Diffusion » (R-D). Ce modèle de dégradation a été étoffé au fur et à mesure des nouvelles observations. Blat et al. [32] ont notamment mis en évidence la nécessité d’avoir à la fois les trous libres du canal d’inversion (trou froid ou cold-hole) et des espèces hydrogénées (hydrogenated species ou water-related species). Une espèce hydrogénée et positivement chargée est libérée lors de la réaction entre la liaison Si-H et ces deux éléments. Ensuite, elle diffuse à travers le diélectrique de grille. Ogawa et al. [33] ont

généralisé le concept de R-D aux espèces neutres et chargées, puis expliqué la fameuse loi temporelle de la dégradation t^1/4(loi en puissance ou power-law). Depuis le travail d’Ogawa, le modèle R-D a très peu été modifié par la communauté scientifique. Les contributions de Alam et Mahapatra [34] ont permis de rendre plus convivial la modélisation d’Ogawa et de modéliser les dépendances en champ électrique à travers l’oxyde, en température et les effets du potentiel électrique du substrat sur l’accélération de la dégradation [35]. En parallèle à ce modèle, d’autres modèles ou observations ont complété le paysage assez uniforme du NBTI et du modèle R-D, notamment Houssa [36] et Schlünder et al. [37]. Houssa propose un mécanisme de dégradation des liaisons Si-H à l’interface SiO2/Si par injection de porteurs à travers l’oxyde de grille. Schlünder et al. font partie des premiers à avoir montré le phénomène de relaxation « moderne » du NBTI : une partie de la dégradation s’autoguérit lorsqu’un potentiel électrique positif (phase de relaxation) est appliqué sur la grille après une contrainte NBT. Ils ont mis ainsi en évidence un piégeage/dépiégeage de trous lors des phases NBT/Relaxation. Ce phénomène appelé relaxation est, comme il sera vu par la suite, à l’origine des problèmes de caractérisation électrique. Le modèle R-D sera décrit dans le Chapitre 2 et sera confronté à nos études expérimentales. Les matériaux et les procédés de fabrication ont une influence très importante sur le mécanisme NBTI et notamment le phénomène de relaxation. Comme nous le verrons dans le Chapitre 5, des efforts de plus en plus importants se portent sur la recette d’oxydation de la grille et sa nitruration [38].