Les porteurs chauds (HC)

A la différence du NBTI, le phénomène de porteurs chauds est présent lors de

l’ap-plication d’une tension de drain (V

DS

) en plus de la tension de grille (V

GS

). On appelle

porteurs chauds, tout porteur de charge ayant acquis une énergie cinétique importante

sous l’effet d’un champ électrique. C’est ainsi que si l’on considère un transistor nMOS en

saturation, la majorité des électrons transite dans la zone de pincement du canal par effet

quasi-balistique et donc sans aucune interaction avec le réseau. Cependant, une fraction

des porteurs modulée par le champ vertical, interagit avec le réseau et transfère une partie

ou toute son énergie au réseau. Ceci peut se produire suivant différents modes qui sont

détaillés dans [31].

On peut notamment citer le phénomène d’ionisation par impact (FigureII.11) au cours

duquel un électrons chauds du canal a suffisamment d’énergie pour entrainer la génération

de paires électron-trou avec un transfert d’énergie lors de collisions inélastiques avec les

atomes du réseau. Certains électrons issus de cette génération d’électron secondaire sont

orientés et injectés vers l’oxyde de grille. Dans le même temps, les trous sont repoussés

dans le substrat générant un courantI

_BS

proportionnel au nombre de paires électron-trou

générées :

II.3. Les différents mécanismes de dégradation

(a)

(b)

Figure ^{II.11 – (a) Génération et injection d’électrons chauds sous ionisation par impact}

dans un transistor de type nMOS.(b) évolution du champ latéral électrique en fonction de

la position le long du canal à une profondeur de 0.8nmde l’interfaceSi/SiO

₂

obtenue par

simulation TCAD Monte Carlo pour un dispositif nMOS (T ox = 1.7nm, L = 0.042µm)

sous polarisation de type HC V

_GS

=V

_DS

= 1.4V.

avec M qui est une variable représentant l’effet d’ionisation par impact et qui vaut

[32] :

M = (V

DS

−V

DSsat

)· ^α

ⁱ

β

_i

· ^β

ⁱ

^·l

ⁱ

V

_DS

−V

_DSsat

!

(II.8)

α

_i

et β

_i

correspondent aux coefficients d’ionisation et valent typiquement [33] α

_i

=

2.5·10

6

cm

⁻1

et β

_i

= 2·10

6

V /cm. l

_i

qui correspond à la section du drain où l’ionisation

par impact se produit et qui est donné par : l

_i

= 0.017·T

_OX^1/8

·L

1/5

·X

_J^1/3

. Le graphique

Chapitre II. La fiabilité du transistor MOSFET

de la Figure II.12 montre l’évolution du courant de substrat en fonction deV

_DS

.

Figure ^{II.12 – Evolution du courant de substrat en fonction de V}

DS

Les électrons injectés à travers l’oxyde de grille vont contribuer au courant de grille

(I

_GS

) et secondairement à la génération de défauts dans une région proche de l’interface

canal/oxyde de grille. Pour les oxydes dont l’épaisseur est inférieure à 5nm, de nombreuses

études [34, 35] ont montré que les défauts générés sont des états d’interface dus à la

rup-ture de liaisons Si−H. Comme illustré par la Figure II.13, différents types d’excitation

peuvent rompre la liaison Si−H [35] en fonction de l’énergie (tension) et du flux

(cou-rant) de porteurs présents dans le canal. Dans le modèle physique qui sera présenté au

paragraphe II.4.2, trois cas d’apport de l’énergie E

_B

nécessaire à la rupture de la liaison

Si−H sont pris en considération : l’excitation vibrationnelle unique SVE

d

, l’interaction

électron-électron EES

e

et l’excitation vibrationnelle multiple MVE

f

.

Le mécanisme SVE est lié aux porteurs les plus énergétiques. Chaque porteur a

suffi-samment d’énergie (E > E

_B

) pour exciter la liaison Si−H jusqu’à sa rupture.

Si l’électron incident n’a pas assez d’énergie, le mécanisme d’EES peut se produire

puis aboutir à la rupture d’une liaison Si−H par SVE. L’EES correspond à l’échange

d’énergie entre deux électrons par interaction coulombienne. Si on considère deux

élec-trons qui traversent par effet quasi-balistique le canal avec chacun une énergie qV

_DS

, un

électron peut transférer toute son énergie cinétique à l’autre par EES l’élevant à une

éner-gie d’environ 2qV

_DS

suffisante pour rompre une liaison d’interface par SVE si 2qV

_DS

> E

_B

.

d. SVE :SingleVibrationalExcitation

e. EES :ElectronElectronScattering

II.3. Les différents mécanismes de dégradation

Lorsque l’énergie des électrons incidents est inférieure à E

_B

, la rupture par MVE

peut se produire. Les électrons apportent individuellement suffisamment d’énergie pour

exciter les modes vibrationnels de la liaisonSi−H. Chaque électron incident peut alors

apporter un quanta d’énergie ¯hω pour peupler un niveau supérieur du mode vibrationnel

de la liaison Si−H et cela durant un temps caractéristique τ appelé durée de vie du

mode d’excitation. Cette succession d’apport de quanta d’énergie aboutit à la rupture

lorsque l’énergieE

_B

est atteinte. Pour cela, il est important de noter qu’il est nécessaire

que la durée de vie du mode d’excitation soit supérieure au temps moyen de collision

d’un autre électron incident. Ce type d’excitation est relié au flux d’électrons incidents et

donc au courantI

_DS

. Le seuil de densité de courant étant important, ce dernier mode de

dégradation est principalement observé sur des oxydes minces.

Figure ^{II.13 – Représentation schématique des modes de rupture de la liaison Si}−H

[35]. L’énergie potentielle de liaison est représentée par un puits de potentiel de profondeur

E

_B

qui sépare l’atome d’hydrogène des sites de transports.E

_B

correspond à l’énergie de

dissociation de la liaison Si−H.

En résumé, l’application d’une contrainte en tension sur la grille et le drain entraine

une dégradation de type HC. En régime saturé, les électrons du canal traversent la zone de

pincement par effet quasi-balistique où le champ électrique latéral est maximum. Certains

électrons énergétiques interagissent avec le réseau et provoquent une dégradation localisée

de l’interface au niveau du drain. Pour des conditions de contrainte où le canal n’est pas

Chapitre II. La fiabilité du transistor MOSFET

formé (V

_GS

<V

_T

etV

_DS

fort), le flux de porteur bien que faible possède une grande énergie

car ces porteurs traversent le canal par effet balistique sans perte d’énergie [36, 37] et

contribuent à une dégradation de type porteur chaud. La modélisation complète de la

dégradation de type HC sera détaillée dans le paragraphe II.4.2.

Dans le document Caractérisation et modélisation de la fiabilité des transistors MOS en Radio Fréquence (Page 49-53)