Stabilité des transistors

L’obtention des transistors avec de grandes valeurs de mobilité d’effet de champ nécessite dans la majeure partie des cas, l’utilisation des couches de silicium microcristallin d’une épaisseur de l’ordre de 200 nm [17]. Cette grande épaisseur permet en effet d’obtenir de grandes fractions cristallines. Cependant l’augmentation de l’épaisseur des couches de silicium microcristallin engendre une porosité au niveau de celles-ci. Les couches sont de moins en moins denses. Par conséquent, lors de la phase de dépôt de l’oxyde de silicium qui constitue l’isolant de grille pour tous les transistors préalablement présentés, une grande quantité d’oxygène peut s’incorporer au sein du matériau et devenir un facteur d’instabilité des comportements électriques des transistors.

La figure 14 illustre un exemple d’instabilité des caractéristiques électriques d’un transistor. La caractéristique de transfert du transistor se dégrade complètement après la réalisation d’une deuxième mesure.

Une très grande mobilité d’effet de champ ne peut pas à elle seule définir la performance d’un transistor. En effet une bonne stabilité des caractéristiques électriques est indispensable pour la mise en œuvre de ces transistors dans des applications diverses et variées. Pour atteindre cet objectif deux pistes ont été explorées. Une diminution de l’épaisseur de la couche active de silicium non dopée et la mise en place d’un nouvel isolant de grille dépourvu d’oxygène qui est le nitrure de silicium [17] [20].

III.3.1. Transistor avec une couche fine de silicium microcristallin

Une couche de silicium microcristallin déposé par PECVD doit être dense pour être imperméable à l’introduction des atomes d’oxygène. L’obtention d’une couche dense est conditionnée par une faible épaisseur du matériau. Un arrêt du dépôt avant la croissance colonnaire permet d’avoir des couches très denses de silicium microcristallin.

Des transistors en structure topgate ont été fabriqués en utilisant une couche de silicium microcristallin non dopé très fine d’épaisseur 40 nm. La figure 15 illustre les caractéristiques de transfert d’un transistor soumis à un stress de 4 heures afin d’évaluer l’évolution de son comportement électrique et particulièrement de la dérive de la tension de seuil qui constitue un paramètre important. Les courbes ont été prélevées à différents temps de stress. Elles mettent en évidence une faible dégradation de cette tension de seuil.

Figure 15 : Caractéristiques de transfert d’un transistor de type N à base de silicium microcristallin fabriqués à partir d'une couche fine de 40 nm d’épaisseur avant et après

Le transistor possède une mobilité d’effet de champ de 6 cm²/V.s et une tension de seuil de 7,3 V. La variation ǻV de la tension de seuil et ǻµ de la mobilité d’effet de champ des transistors en couches minces sont présentées dans la figure 16. Ces paramètres sont déduits des caractéristiques de transfert prises pendant le stress.

Les courbes mettent en évidence une très faible variation de la mobilité d’effet de champ tandis que la tension de seuil connaît une dérive. Pour un stress avec V_DS = V_GS = 10V, la variation est de 1V au bout de 4 heures. Cette dérive de la tension de seuil est plus grande et a pour valeur 1,3 V dans le cas d’un stress avec VDS = VGS = 15 V pour une durée de 4 heures également. Cette variation reste relativement importante pour la mise en place des circuits.

Figure 16 : Décalage de la tension de seuil déduite des caractéristiques de transfert

La dérive de la tension de seuil provient d’une incorporation d’oxygène au sein du silicium microcristallin, qui de part sa nature hétérogène favorise cette pénétration, surtout si son épaisseur est grande. Le principe de fabriquer des transistors en utilisant une couche active non dopée très fine de silicium microcristallin a permis d’obtenir une stabilité relative des performances électriques de ces transistors. Toutefois pendant les étapes de réalisation des transistors, la gravure d’une couche de faible épaisseur reste très délicate. En effet la couche dans sa totalité risque d’être gravée. Il est donc judicieux de mettre en place un nouvel isolant de grille, dont l’élaboration ne nécessite pas d’utiliser un plasma contenant de l’oxygène, afin d’obtenir des transistors mettant en œuvre des couches épaisses et qui sont stables.

III.3.2. Transistor avec du nitrure de silicium comme isolant de grille

Afin d'améliorer encore la stabilité des composants électroniques réalisés à partir des couches de silicium microcristallin, un deuxième isolant de grille est mis en place. Celui-ci est le nitrure de silicium qui est couramment utilisé dans l'industrie de la microélectronique. Il permet dans le cadre de l'utilisation du silicium microcristallin d'éviter la possibilité d'intrusion des atomes d'oxygène, source d'instabilité, dans les couches.

Au cours de ses travaux de thèse, K. Belarbi [21] a élaboré ce matériau et réalisé des transistors à base de celui-ci. La figure 17 présente les caractéristiques de transfert d'un transistor, prises à différents temps pendant un stress de 4 heures avec VDS = VGS = 15 V. Elle illustre également la variation de la tension de seuil relatif à ce stress. Le transistor utilise comme couche active non dopée, du silicium microcristallin d'épaisseur 100 nm. Ces courbes mettent en évidence une grande stabilité des performances électriques liées au nitrure de silicium. Au bout de 4 heures de stress appliqué au transistor, le déplacement de la tension de seuil n'est de 0,16 V. Ceci démontre bien en effet l'intérêt en terme de stabilité de l'utilisation de cet isolant dans la fabrication des transistors.

Figure 17 : Caractéristiques de transfert d’un transistor de type N après différents temps d'application de stress (a), décalage de la tension de seuil (b) [21].