Caractérisation des états d interface dans des transistors MOS submicroniques par différentes techniques de pompage de charge

HAL Id: jpa-00249057

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00249057

Submitted on 1 Jan 1993

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Caractérisation des états d’interface dans des transistors MOS submicroniques par différentes techniques de

pompage de charge

Jean-Luc Autran, Frédéric Seigneur, Jacques Delmas, Carole Plossu, Bernard Balland

To cite this version:

Jean-Luc Autran, Frédéric Seigneur, Jacques Delmas, Carole Plossu, Bernard Balland. Caractérisation des états d’interface dans des transistors MOS submicroniques par différentes techniques de pompage de charge. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1993, 3 (10), pp.1947-1961. �10.1051/jp3:1993252�.

�jpa-00249057�

Classification

Physics

Abstracts

71.20 73.40Q 73.90

Caractdrisation des >tats d'interface dans des transistors MOS

submicroniques _par diffdrentes techniques de pompage de

charge (*)

Jean-Luc

Autran,

Frdddric

Seigneur, Jacques Delmas,

Carole Plossu _et Bernard Balland Laboratoire de

Physique

de la Matidre, Assoc16 _au Centre National de la Recherche

Scientifique,

URA _n 358, Institut National des Sciences Appliqu6es de Lyon, 20 _avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne Cedex, France

(Regu le 4 _mars 1993, idvisd le 7

juillet1993,

acceptd le 13 juillet 1993)

Rdsumd. Nous _avons effectud _une Etude

comparative

des diffdrentes

techniques

de pompage de charge

lclassique.

h trois niveaux,

spectroscopique)

et d'analyse

61ectrique

conventionnelles (DLTS, mesuresc-V) _sur des structuresmos et MOSFET

submicroniques.

La r6partition

6nerg6tique

de la densit6 d'6tats d'interface _a 6t6 d6termin6e pour des substrats d'orientation

(tool

de type ^N et P h diff6rentes

(tapes

d'un

proc6d6

de fabrication CMOS. Nous _avons ainsi montrd que les techniques de pompage de

charge

sont de puissants outils de caract6risation et de

diagnostic

permettant d'dvaluer, _{avec une} grande sensibilit6, l'influence des traitements thermi- ques de

passivation

et des incidents de procddd sur la qualitd interfaciale des

dispositifs.

Abstract. We have made _a

comparative

study between different charge

pumping techniques

(standard, three-level, spectroscopic) ^and conventional electrical measurements IDLTS, C-V) _on submicrometer MOSFET'S and MOS devices. The energy distribution of interface states

density

has been determined for N and P type

(100)

substrates _at different stages ^of a CMOS process. We have shown that charge

pumping

techniques _are powerful tools for charactenzaton and

diagnostic

which allow to evaluate, with _a great

sensitivity,

the influence oi passivation

annealings

and process accidents _on the quality of Si-Si02 interface.

1. Introduction.

Au fur _et h _mesure que diminuent les dimensions des composants

dlectroniques intdgrds,

de

nouvelles

techniques

de caractdrisation s'avbrent ndcessaires pour dtudier les _causes d'instabi- litd _ou de vieillissement de _ces

dispositifs.

La ddcouverte du

phdnombne

de pompage de

charge

dans les transistors MOS

[I]

_a

permis

le

ddveloppement,

_{au cours} des dix dernibres

anndes,

(*)

Etude r6alisde _en collaboration _avec le laboratoire Failure Analysis de l'usinelBm France de Corbeil-Essonnes.

d'une _vaste

panoplie

de

techniques particulibrement

bien

adaptdes

_aux nouvelles dimensions

des structures

[2-17].

II s'est avdrd que son

champ d'investigation

a

largement ddpassd

celui

des

techniques

conventionnelles _sur

capacitd MOS,

telles que les _mesures

capacitives

_ou de conductance. Ceci _est directement lid _aux

propridtds intrinsbques

du composant, ^{le transis-}

tor

MOS, qui autorise,

_au niveau du

canal,

des _courants de porteurs ^de

charge

minoritaires latdraux

(vers

_ou

depuis

la _{source et} le

drain)

et une modulation aisde de la _zone

dlectriquement

active de l'interface

(par

^{modulation des} zones de

charge d'espace

des

jonctions

source/substrat

et

drain/substrat

i>ia les

polarisations appliqudes).

De telles

possibilitds

ont dtd

exploitdes

_en

pompage de

charge classique (2CP),

_pour accdder h la

rdpartition dnergdtique

et

spatiale

des (tats

dlectroniques

h la surface du semiconducteur

[2-1Il. Quant

h l'dtude

plus approfondie

des diffdrents

rdgimes

d'dmission des porteurs ^de

charge

_par les dtats d'interface, celle-ci _a conduit _au

ddveloppement

des rdcentes

techniques

de pompage de

charge,

dont

l'application

h des transistors

submicroniques

est une des

particularitds

de _notre travail. Dans le pompage de

charge

h trois niveaux

(3CP),

la durde du

rdgime

d'dmission et la

position

du niveau de Ferrni sont ddterrnindes par l'introduction d'un troisibme niveau de tension de

grille [12-20]

alors que dans le _cas du pompage de

charge spectroscopique (SCP),

_{ce sont} la

temp6rature

et les temps de transition du

signal

de

grille qui jouent

_ce rble

[21, 22].

Il _a dtd montrd _en

[14] puis

en

[16]

la

faisabilitd de _{mesure en} pompage trois niveaux _sur des transistors h faible

longueur

de canal

prdsentant

des densitds d'dtats d'interface peu dlevdes

(de

10'° h

quelques

^10"

eV~',cm~2).

L'un des

objectifs

du

prdsent

travail _a dtd d'dtudier la

rdpartition dnergdtique

des dtats d'interface, sur des composants ^{issus de} diffdrentes

dtapes

d'un

procddd

industriel CMOS, _par diffdrentes

techniques

de pompage de

charge

et conventionnelles. Nous _avons

effectud,

_sur les mdmes

dispositifs

^de test, des _{mesures en} pompage de

charge classique,

h trois niveaux et

spectroscopique.

La

prdsence

de

capacitds,

de surfaces

suffisantes,

h

proximitd

immddiate des transistors testds _{nous a}

permis

de rdaliser _{en outre} des _mesures

capacitives quasi statiques

et hautes

frdquences

ainsi que des _mesures de DLTS

(Deep

Level Transient

Spectroscopy).

Nous

prdsentons

darts _cet article la

premibre

Etude

comparative

de _{toutes ces}

techniques

_pour

plusieurs

lots de transistors h canal N et P

qui

_{nous a}

permis

de

prdciser

l'influence

qualitative

et

quantitative

du

procddd

d'dlaboration des composants ^MOS sur les

propridtds dlectriques

de l'interface

Si-SiO~.

2.

Approche spectroscopique

du pompage de

charge.

Darts la version

proposde

_par Van den Bosch _et al.

[21, 22],

le pompage de

charge

spectroscopique

est une

technique

de pompage de

charge classique

h deux niveaux de tension

[2]

faisant intervenir le

parambtre tempdrature.

Il consiste h suivre l'dvolution du _courant

pompd

en fraction de la

tempdrature,

pour deux

signaux

de

grille prdsentant

des temps ^de montde t,

(respectivement

de descente t~)

diffdrents,

les _autres

parambtres

des

signaux

dtant

identiques (Fig.

la). ^{La moitid} infdrieure

(respectivement supdrieure)

de la bande interdite _est ainsi

balayde

_par une fenttre

dnergdtique

ddfinie par t,j et t~~ h t~ constant

(respectivement

ti, et t~~ h t~ constant) _se

ddpla&ant

_sur l'dchelle des

Energies

_sous l'action de la rampe de

tempdrature (Fig. lb).

La

charge pompde

_au niveau du substrat, _par

pdriode

du

signal

de

grille

et par unitd d'aire, _a pour

expression

la

plus gdndrale

E~~

^~jt~)

Qcp(t,, t~)

_{= q}

D~~(E)

dE

(I)

E~~,htt~)

oh

E~rr

~(t~ )

(respectivement

_E~rr,

~

(t~)

est la

position

du niveau de Fermi h la fin du processus d'dmission hors

dquilibre

de trous

(respectivement d'dlectrons)

_par les dtats d'interface. Une

Vinv

VT

Avg

VW

'

~if I

_'

E

~~~

~

^~~

Ec ---Einv

ET

Eem,e(tit)

-

Eof

Eem,e(tf2)

Dit(Eor)

~ Eem,h(tr2)

- - - - -

Eor

Eem,h (trl)

Em

~~~~~~~~~~~~~Eacc

Ev

16

Fig. I. a)

Signal

de

grille

h deux niveaux de tension utilis6 _en pompage de charge spectroscopique.

Une fendtre d'(mission _est d6finie par le choix de 2 valeurs distinctes du temps ^{de mont6e} ou de descente, l'autre temps ^{de transition du}

signal

6tant constant, b) Diagramme

6nerg6tique

correspondant.

[a) Two-level gate voltage signal ^{used in} spectroscopic charge pumping. ^{Emission window is} defined by 2 distinct values of the fall _or the rise time, the other transition time of the

signal being

fixed, b)

Energy

diagram corresponding to a).]

analyse

^ddtaillde de _ces processus d'>mission hors

dquilibre

des porteurs ^de

charge

_par les dtats

rapides

de l'interface conduit _aux

expressions

suivantes, valables pour des temps _t~ et

it

supdrieurs

h

10~~

_s

[22]

:

~em,

_h

(ir)

_"

~l

_~ ~~ ~~

"h

~th,h RI

~~~f)~~ rj

(~~

v~ v~~

~~~.

~~~~~ ~

~'

~ ~~ ~~ "~ ~th.

~ ~'

Av~

^{~~ ~~~}

ob E~ ^est le niveau

d'dnergie intrinsdque,

T la

tempdrature

_en

Kelvin,

_n~ la concentration

intrinsdque

des porteurs ^de

charge,

_«~ et «~ les sections efficaces de capture _pour ^les Electrons et (es _trous,

v~~,_~ ^et u~~_~ leur vitesse

thermique respective, _V~~

la tension de bande

plate

du

transistor, V~

sa tension de seuil _et

AV~

la hauteur crate-h-crate du

pulse appliqud

_sur la

grille.

Si

f

est la

frdquence

du

signal

de

grille

et

A~

l'aire effective du canal,

l'expression

du _courant

pompd

au niveau du substrat s'dcrit

E~~,~(ttJ

I~~ (t~, it =

qfA~ D~~(E

) ^dE

(4)

E~~ ~(i~i

Cette

expression ddpend

fortement de la

tempdrature puisque

les niveaux

E~rr,~(t~)

et

E~rr,~(t~)

sort directement

ddpendants

de T. A _rioter que l'aire effective de canal

A~ ddpend dgalement,

_en toute

rigueur,

de la

tempdrature, puisque

l'dtendue des _zones de

charge d'espace

des

jonctions

source/substrat et drain/substrat est fonction de T. On

appelle signal spectroscopique correspondant

h la fendtre

d'dnergie

ddterminde par _t~~ ^et t,~ ^h

it constant la

quantitd S~(t~,,

t~~) =

I~~(t~,, ⁱⁱⁱ -I~~(t~~, it). D'aprbs (4),

elle _a donc pour

expression

_:

Eem,

^h([j)

ST

(t~,, t,~)

=

qfA~ D~~(E)

dE.

(5)

~cm h('~2)

Soit D~~(E~~) ^{la densitd} moyenne d'dtats d'interface darts la fendtre

d'dnergie

_moyenne E~~ ^ddfinie par

(t~j,

t~~).

D'aprbs (2),

cette

dnergie

_{moyenne vaut :}

L'expression (5)

se rdduit alors h

~r(in,

_~<~

"

~f~lG l~it (Ear

_[Eem,

h

(tr2 Eem,

_h

(trl )j (7)

qui

peut s'dcrire, compte tenu de

(2)

_:

~r~~<'~ ~r2> ~

~f~G ~'t~~°r~

~~ ~~

~~~ i

^~~~

De la mdme

manibre,

_on

appelle signal spectroscopique correspondant

h la fendtre

d'dnergie

moyenne E~~ ^ddterminde par t~, ^et t~~ ^h t~ ^constant la

quantitd _S~(t~j, in)

₌

_I~~(t~, ttj) I~~(t,, t~) ^qui

a pour

expression,

compte tenu de

(3)

Sf~tf in)

-

~fAG D(Eof)

kT in

I _(8ai

L'dnergie

moyenne de _cette fendtre _a pour

expression, d'aprbs (3)

_:

Les

quantitds AE~

₌ kT In

(t~j/t~j

et

AE~

₌ kT In

(t~/t~j ) reprdsentent

les

largeurs

des interval- les

d'dnergie qui

contribuent _aux

signaux spectroscopiques.

Ces derniers _sont directement

proportionnels respectivement

h_D~~(E~~ et D~~(E~~ ). ^{En faisant varier la}

tempdrature,

ii est donc

possible

de ddterminer

D~~(E)

_sur la

quasi

totalitd de la bande interdite h

partir

des

signaux spectroscopiques,

les

positions dnergdtiques

_moyennes des fendtres dtant calculdes h

partir

de

(6)

et

(9)

si l'on connait les valeurs des sections efficaces de capture.

3. Prockdure

expkrimentale.

3. I STRUCTURES _{DE TEST.} Les transistors et les

capacitds

ant dtd

fabriquds

selon _un

procddd

de

technologie

CMOS

(longueur

de canal dessinde

0,75

_~Lm,

dpaisseur d'oxyde

14

nm)

dont les

principaux parambtres technologiques

_ant dtd donnds _en r6fdrence

[16].

Les transistors

utilisds _{ant une structure}

interdigitde

la _{source et} le drain constituent _une

jonction unique

en

forme de

«

peigne

_» avec le substrat

qui interpdnbtre

le _«

peigne

_» de

grille.

Il _en rdsulte _un encombrement rdduit offrant _une aire de

grille importante (environ

32 000 ~Lm~) _pour une

faible

longueur

de canal. Les

capacitds

ant, quart ^h elles, une surface suffisante

l17 000 ~Lm~) _pour permettre d'effectuer des _mesures C-V _et de DLTS d'dtats de surface. Ces diffdrentes structures de test sent montdes _en boitier pour permettre une Etude _en

tempdrature,

inhdrente _aux deux

techniques spectroscopiques appliqudes.

Trois sdries d'dchantillons _ant dtd dtudides pour des substrats de

chaque

type la sdrie n° I

correspond

h des composants

prdlevds

en

ligne

de

production

_avant la _toute

premikre dtape

de recuit. La sdrie _n 2 _est constitude d'dchantillons ayant

subi,

_{par rapport} h _ceux de la sdrie _n I, deux traitements

thermiques

de

passivation

_sous

hydrogbne

tune

vingtaine

de minutes h 400 °C

chacun). Quart

h la sdrie _n

3,

elle

correspond

h des composants ^mal

passives qui prdsentent,

_en test

final,

_une

qualitd

d'interface _nettement infdrieure h celle de la sdrie 2, rdvdlde par une ddformation des courbes

capacitd-tension quasi statiques

alors que la ddrive des tensions de

bande-plate

est peu

significative (infdrieure

^h 0,05V entre les sdries 2 _et

3).

II _est apparu intdressant de caractdriser de telles structures, en

plus

de celles des sdries I et 2, afin d'dvaluer la

rdponse

des diffdrentes

techniques

darts _{un cas} concret d'incident _survenu lors d'une

dtape particulibre

du

procddd.

3.2 CALCUL _{DES SPECTRES.} Nous

expiicitons,

dans _ce

paragraphe,

la

procddure

de caicui

des spectres ^{de densitd d'dtats} d'interface que nous nous sommes fixde dans le cadre de _cette Etude.

L'analyse

ddbute par

l'acquisition

des

caractdristiques

C-V haute

frdquence (frdquence

I MHz,

amplitude

du

signal

de _mesure 40mV

crfite-h-crate)

et

quasi statique (rampe

de

polarisation

de

20mV,s~')

de la

capacitd.

La relation entre le

potentiel

de surface W~ ^et la tension de

grille V~

est ddduite de la courbe

quasi statique

par la mdthode de

Berglund [24].

Les spectres ^{de la densitd d'dtats} d'interface sent calculds _en utilisant la mdthode C-V

haute

frdquence

basse

frdquence

h

partir

des courbes

prdcddentes [23].

Des _mesures de

DLTS

(Deep

^Level Transient

Spectroscopy) [23]

sort effectudes _sur la mdme

capacitd.

Les transitoires de

capacitd

sort dchantillonnds

numdriquement

_pour

cinq couples

de valeurs

(ii, t~) qui

ddfinissent

cinq

taux

d'dmission,

lors d'une

unique

montde _en

temperature

de 80 h 400 K. La

figure

^2a montre les diffdrentes courbes AC

(T)

=

C

(iii

C

(t,

obtenues pour la

sdrie _n I de type ^P

(le

type du substrat

indiqud

darts [es

figures

est

toujours

celui du

texte).

Pour _{ces structures} de type P, les conditions de _{mesure sort} les suivantes tension de

too-o

go-o

eo.o

(

_70.O

'S 60.O

£

~J _SO-O

jJ

40,o

~i

~~_~

Emission

_rate

(s-1)

~.( 2a

o-o

-200.0 -165.0 -130.0 -95,o -60,o -25,o lo-o 45,o 80.o ifs,o iso,o

Temperatui"e (°C)

12,oo

it .oo

v~~~~ )i[j ^{~missi°n electron} _{j.ij~ili ii i ~ii~~}

/5 a

~

'~ ~ ~

~ ~ ~ ~~ ~

u

io,oo

a~

^+~

~~+

~

~

c~ _a

~

~ ~ + + + + ~~

~

u g, oo °

n ~

1S

°

hole fill

j

_{a. oo} ^°

a ^°

I

7.oo

hole capture °o

°

electron emission

u a a

if

6. oo _a

« a

Jz _a

Q 5, oo _n ^a

~a _an

j~

lI

^~.°°

electron fill

~

~ _{3. 00}

~b

ua 2.00

-2,oo -I.60 -I.20 -o.80 -o.40 0.00 0.40 o.Bo I.20 I-So 2,oo

Third gate voltage level (V)

Fig. 2. a) Signaux DLTS pour diff6rents taux d'dmission _en fonction de la temp6rature. b)

Charge pompde

_par

cycle

_en

rdgime

de saturation _en fonction de la tension de

grille

du troisidme niveau de

tension.

[a) DLTS signals for different emission _{rates as a} function of temperature, b) Saturated

charge pumped

per cycle as a function of the third gate

voltage level.]

remplissage

en accumulation

V~

=

-2, 4V, durde du

pulse

de

remplissage

_t~

=

5 _ms, tension de

ddp16tion V~

=

0,5

V. Les spectres ^{de densitd d'dtats} d'interface _sont calculds h

partir

des diffdrentes courbes AC

(T)

en prenant pour valeur de section efficace la valeur moyenne « obtenue par pompage de

charge classique qui

_permet

dgalement

de ddterminer la densitd d'dtats d'interface moyenne

(D~~) [2, 3].

Le recouvrement des diffdrents spectres

(correspondant

_aux diffdrentes vitesses

d*dmission)

dtant

excellent,

_un seul spectre ^DLTS est

reprdsentd figure

4 ainsi que sur les _autres

figures.

Par pompage de

charge

h trois niveaux _sur transistor

(durde

du troisibme niveau 10 _ms,

pdriode

12 ms)

[19],

la

rdpartition

des dtats d'interface est calculde h

partir

de la

caractdristique

donnant la

charge pompde

_en

rdgime

de saturation _en fonction de la tension de

grille

du troisidme niveau de

tension, reprdsentde figure

2b pour la sdrie n° I de

type

^P

(transistor n-MOSFET).

Le

rdgime

d'dmission dtant h

l'dquilibre thermodynamique,

contrairement _au

rdgime

de capture, seuls les

points

_correspon-

dant h l'dmission d'dlectrons _et de _trous

(Fig. 2b)

sont

pris

_{en compte} dans le calcul de la

rdpartition dnergdtique

des dtats

[17].

On _notera que la variation de la

charge pompde

en

rdgime

de saturation _en fonction du troisibme niveau de tension _est infdrieure dans le _cas de l'dmission

de trous que dans le _cas de l'dmission

d'dlectrons,

_tout

simplement

_{parce que} dans le _cas des

structures de la sdrie I

(c'est dgalement

vrai pour les

dispositifs

de la sdrie

2),

la densitd de

pibges

dans la moitid infdrieure de la bande interdite est infdrieure h celle de la moitid

supdrieure

du gap.

Enfin,

_nous rdalisons

l'acquisition

des

signaux

_S~ et S~ en pompage de

charge spectroscopique

_pour diffdrents

couples

de temps ^{de montde} et de descente du

signal

de

grille.

Les

figures

3a _et 3b

rdcapitulent

les diffdrents

signaux spectroscopiques

obtenus pour un

transistor de la sdrie _n I de type ^{P. Comme dans} le _cas de la DLTS, _{nous prenons} la valeur de la section efficace moyenne «, obtenue par pompage de

charge classique,

_pour calculer les spectres ^{de densitd d'dtats h}

partir

des diffdrents

signaux spectroscopiques.

^Lb encore, [es diffdrents spectres sont

superposables,

_ce

qui

laisse supposer que ^le choix d'une valeur

unique

de section efficace de capture est une

approximation

valable. Cette

procddure expdrimentale

est

appliqude

aux trois sdries d'dchantillons en prenant

rigoureusement

[es mdmes

parambtres temporels

de mesure.

4. Rksultats et discussion.

Nous

rdcapitulons,

dans ce

paragraphe

et dans les

figures

suivantes, l'ensemble des rdsultats

que nous avons obtenus _{au cours} de _cette Etude pour les sdries I h 3 de type ^N et P du substrat

(24

_spectres

typiques).

Les spectres

prdsentds

_{sur une} mdme

figure

ont dtd obtenus pour la mdme sdrie et pour un mdme type ^{de substrat. Les}

figures

4 h 6

reprdsentent

les diffdrentes

rdpartitions

des dtats d'interface _en fonction de

l'dnergie

dans la bande interdite du silicium obtenues pour les sdries N _et P _avant recuit

(sdrie

n° I,

Figs.

4a _et

4b), aprbs

recuit

(sdrie

_n

2, Figs.

5a _et

5b)

et

aprbs

un incident _survenu lors du recuit

(sdrie

n° 3,

Figs.

6a et

6b).

En outre, le tableau I

indique

les valeurs moyennes de la densitd d'dtats d'interface _et des sections

efficaces de capture ddtermindes par pompage de

charge classique.

4. I COMPARAISON DES TECHNIQUES, Pour les sdries _n I et

2,

_nous montrons que la densitd

d'dtats d'interface obtenue par mesures C-V est

toujours supdrieure

_aux densitds obtenues par 3CP et SCP. Un tel rdsultat vient confirmer la

comparaison

de Saks et Ancona concemant les

positions

relatives des spectres ^{3CP et C-V}

[18].

En _ce

qui

_concerne la sdrie _n 3 _et contrairement aux autres sdries, nous mettons en Evidence _une relative bonne

correspondance

des spectres ^obtenus par pompage de

charge

et mesures C-V. La

comparaison

entre spectres DLTS _et

spectres

^SCP ou 3CP montre un bon accord des distributions dans le _cas des

dispositifs

_sur substrat N. En

particulier,

la

figure

5b,

correspondant

^{h des} structures de bonne

qualitd

d'interface

(aprbs

recuit), offre une

comparaison

entre DLTS _et SCP semblable h celle

25.o

22.5

Rise times tr (ns)

~s

o ~~~ ~~~

~

_20,o ^{Boo loco}

~ ^x

loco 2000

-

2000 4000

~j~ ^17,5

+- 15,o fl©

~' 12,5

(

O ^to,o

~

tJ

12 7,5

~

~ ~

~2+

t/l

~ '~

3a

o,o

o.o 40.o Bo.o 120,o 160.o 200.o 240.o 2Bo.o 320.o 360,o 400.o

Temperature ^(K)

25.o

22.5

~~

~

/5 20.o

~$

~ 17.5 l/l

Ill tJ$i

tJ

~ )

tJ

I

l'~

^° oco

-

2.5 " 2000 4000

o-o

o-o

Temperature (K)

Fig.

3.

Signaux spectroscopiques

_pour diff6rentes fenEtres d'6mission d6finies _par 2 valeurs distinctes du temps ^{de mont6e} (t~ ₌ I _~Ls fixe) _{ou par} 2 valeurs distinctes du temps ^{de descente} (t~ ₌ ^I ~s fixe).

[Spectroscopic signals

for different emission windows defined by 2 distinct values of the rise time (fixed t~ = I ~Ls) or by 2 distinct values of the fall time (fixed t, = I ~Ls).]

lo" c

~

-- --

/

"e "--/ _~~d

&

° ^'~~

~w/

*= io"

.

',,

Q .

. ^--

w.'

B a

li

~0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

E~ E~ (ev~

j

do

~

~

C

/

~

fl

~

.

[

,

'"~.~ d

~ IO"

.

,"

~/

O"

- ., ^'

. .

b

^~

10~

0.6 DA 0.2 0 0.2 DA 0.6

E E (eV)

Fig.

4.

Spectres

de la densit6 d'6tats d'interface dans la bande interdite du silicium obtenus _par diff6rentes

techniques

_pour la s6rie _n I de type P (a) et de type ^N (b). Ligne continue mesures

capacitives haute

frdquehce quasi statique.

Ligne pointillde mesures DLTS. Points pompage de charge h 3 niveaux.

Triangles

_{: pompage} de charge spectroscopique.

[Energy

distributions of interface _state

density

in silicon

bandgap corresponding

to differents

techniques

for P-type (al and N-type (hi series _n I. Full line: high frequency quasi static

capacitance

measurements. Dotted line DLTS measurements. Dots 3-level charge

pumping. Triangles

spectro-

scopic

charge pumping.]

publide

_par Van den Bosh et al.

[22].

Dans le _cas des dchantillons de type P, ^les spectres ^DLTS

sont sensibiement au-dessus des autres courbes _et

divergent

relativement par rapport aux autres courbes

(Fig.

4a _en

particulier).

D'une

fa&on gdndrale,

_nous constatons une assez

grande

cohdrence des diff6rents spectres pour la moitid de la bande interdite

qui correspond

h des

pidges

h porteurs

majoritaires.

Pour les

pibges

h porteurs

minoritaires,

dans la deuxibme moitid de la bande

interdite,

_on observe _une relative

divergence

des courbes bien que l'allure

gdndrale

des diffdrents spectres ^soit

toujours

la mdme. Cette

divergence

_a dtd

rapportde

_par Saks _et Ancona dans le cas de _mesures C-V _et 3CP

II 8].

En _ce

qui

_conceme la

position

relative des

IO"

fl

~~

~~

=

IO ',

o _{. .} . ».- _.

. _.

/ ^~

a B A

Ii

-0.6 -0A -0.2 0 0.2 0A 0.6

E _{~E_} (eV)

10"

~

~~

Q~

^~~ _{,---_}

~

.

":~

. .

f

b

_{F D}

lo~

-o.6 oA o.2 o o.2 oA 0.6

E E (eV)

Fig.

5. Spectres de la densitd d'dtats d'interface dans la bande interdite du silicium obtenus par diffdrentes

techniques

_pour la sdrie _n 2 de type P (al et de type ^N (hi. Ligne continue _mesures capacitives haute fr6quence quasi

statique.

Ligne pointillde _mesures DLTS. Points, pompage de

charge

h 3 niveaux. Triangles : pompage de charge spectroscopique.

[Energy

distributions of interface _state

density

in silicon bandgap corresponding _to differents techniques for

P-type

(a) and N-type (b) series

n 2. Full line.- high frequency quasi static capacitance

measurements. Dotted line DLTS measurements. Dots 3-level

charge pumping. Triangles

_spectro-

scopic charge pumping.]

diffdrents spectres, on peut penser que le caractdre

quasi statique

de la _mesure

capacitive (faible

vitesse de rampe de

polarisation)

fait intervenir _un

plus grand

nombre d'dtats dons les

spectres ^C-V que les spectres ^de pompage, calculds h

partir

de

signaux

ne prenant en compte que ^{la fraction des} dtats d'interface ayant un temps ^{d'dmission infdrieur} h la durde d'dmission

fixde par le

signal

de

grille.

Autrement dit, le fait que ^les spectres ^{C-V soient} en

gdndral

_au-

dessus des spectres ^de pompage peut ^dtre

interprdtd

_{comme une} sdiectivitd diffdrente des dtats d'interface suivant la

technique

^utiiisde : les _mesures C-V

apparaissent d'avantage

sensibles h des dtats

plus

_« lents _»

(temps

^d'dmission

longs)

_que les _{mesures en} pompage de

charge (temps

10"

j

C

=

l#~

''

~

'- -,.,.,

°

.

,,

~

'-

'

.

a B

Ii

-0.6 0.4 -o.2 0 o.2 0.4 0,6

E _{E_} (el/~

IO"

~ A

j

^{C E}

$ /

*=

_io~~

. .

Q

.w~ '~

-, .

~ . . ^',

_,

b

~

B 10~

-0.6 DA 0.2 0 0.2 DA 0.6

E E (eV)

Fig. 6.

Spectres

de la densitd d'dtats d'interface dans la bande interdite du silicium obtenus _par diffErentes

techniques

_pour la s6rie _n 3 de type ^P (a) et de type ^N (b). Ligne continue _mesures

capacitives

haute

frEquence quasi statique. Ligne

pointillde mesures DLTS. Points pompage de

charge

h 3 niveaux. Triangles _{: pompage} de charge spectroscopique.

[Energy distributions of interface state

density

m silicon

bandgap corresponding

to differents

techniques

for

P-type

(a) and

N-type

(b) series _n 3. Full line high

frequency

_quasi static capacitance

measurements. Dotted line DLTS measurements. Dots 3-level charge

pumping. Triangles

_: spectro-

scopic

charge pumping.]

d'dmission infdrieurs h 10 _ms dans le _cas du 3CP par

exemple).

Il _{en est} de mdme pour les

mesures DLTS

[24] qui

ont dtd rdalisdes pour des faibles taux d'dmission

(20

h 100 _{s~ et}

qui

impliquent

_un

plus grand

nombre

d'dtats,

dans la

rdponse dlectrique

de la structure, que les

mesures 3CP _et SCP. En

particulier,

_pour cette demibre

technique,

et bien que la

procddure

d'analyse

soit

calqude

_sur celle de la

DLTS,

les taux d'dmission _ne sont pas du tout du mdme ordre de

grandeur puisque

l'on travaille _avec des valeurs

comprises

_entre

10~

_et

10~

_s~

[22].

Seuls des dtats

rapides participent

donc h la

rdponse

en pompage

spectroscopique.

Le _cas de la sdrie _n 3 est intdressant _car

l'analyse

de la

position

des diffdrents spectres laisserait _supposer

Tableau 1. Valetlis moyennes de la densitd d'dtats

d'inteifiace

et des sections

effiicaces

de capture ^obtentles _pat- pompage de

charge classiqtle

_pour les

dij$drentes

sdries d'dchantillons

en

fraction

da ~ype ^{da stlbstrat.}

[Average

values of interface _state

density

and capture cross sections obtained

by

standard

charge pumping

for the differents series of devices _{as a} function of the substrate

type.]

P type ^N

type

Series I

(D~~)

= 4,4 _x

10"

eV~ ~.

cm~~ (D~~)

₌ ^2,0 x

10"

eV~ ~. _cm~ ^~

(a)

=

5 _x 10~ ^~~

cm~ («)

=

6 _x 10~ ^~~

cm~

Series 2

(D~~)

= 4,0 _x

10'°

_eV~

'. cm~~ (D~~)

=

3,8 _x

10'°

_eV~

', cm~~

(a)

=

4 _x 10~ ^~~

cm~ (a)

=

5 _x 10~ ^'~

cm~

Series 3

(D~~)

=

9,6

_x

10'°

_eV~

',cm~

~

(D~~)

₌ ^1,2 x

10~' eV~'.cm~~

(a)

=

5 _x

10~'~ cm~ («)

=

2 _x 10~ ^'~

cm~

que la

proportion

d'dtats lents _a dtd sensiblement modifide par l'incident de

procddd

bien que le nombre de

pibges

ait

globalement augmentd,

ceux-ci seraient

plutbt

des dtats

rapides,

ddtectds presque

identiquement

_par les diffdrentes

techniques.

La

proportion

d'dtats lents semblerait avoir diminud. A

l'inverse,

lors d'un recuit correctement effectud

(sdrie

n°

2),

le nombre d'dtats

rapides

diminuerait

beaucoup plus

_que ceiui des dtats tents. En _ce

qui

_conceme

la

dispersion

des spectres pour les

pidges

h minorilaires, _{nous pensons}

qu'il

_peut

s'agir16

du mtme

problbme

de sdlectivitd

auquel

^vient

s'ajouter

_{une erreur} de _mesure

grandissante

_pour les

techniques

C-V _et DLTS. En

effet,

le modble de calcul de la densitd d'dtats d'interface devient

approximatif

h

l'approche

de l'inversion dans le _cas de la mdthode C-V haute

frdquence quasi statique [23].

Le

problbme

est similaire _en DLTS oh les _{erreurs sur} la densit6 d'dtats

(h

l'approche

de la formation de la couche

d'inversion)

_{et sur} la

position dnergdtique (sections

efficaces de

capture supposdes constantes)

_peuvent devenir _non

ndgligeables

dans cette

partie

du spectre. ^A noter enfin que les valeurs moyennes de densitd d'dtats d'interface obtenues par pompage de

charge classique (Tab. I)

sont en

complet

accord _avec l'ensemble des spectres dans la

partie

du gap oh ceux-ci

so/t

_cohdrents

entre eux et _avec les spectres ^3CP et SCP _sur la

totalitd du gap.

4.2 INFLUENCE Du PROCtDf. Si l'on effectue _un classement des trois sdries d'dchantillons

suivant _une densitd d'dtats d'interface moyenne

ddcroissante,

_on montre que ^toutes les

techniques

donnent strictement le mdme rdsultat, aussi bien pour les structures de type ^N que de type ^{P. Toutes les} structures de la sdrie _n I

prdsentent, quelle

_que soit la

technique

de

mesure

utilisde,

_une densit6 d'dtats _nettement

supdrieure

h

10''eV~ '.cm~

^~ _{Celles de la sdrie}

n 3 _{ont une} densitd d'dtats de l'ordre de

10" eV~~.cm~~

_{et cellos de la sdrie}

n 2 sont

caractdrisdes _{par une} faible densitd d'dtats,

comprise

_entre

^10'°

eV~ ^' cm~ ^~ et

10'~

_{eV~ cm~} ~

Ce classement est conforme h

l'origine respective

de

chaque

sdrie d'dchantillons

(cf.

Sect. 3. I

).

Une forte densitd d'dtats d'interface est mesurde _{avant tout} traitement

thermique

de

passivation

de l'interface

(sdrie

_n

I).

Cette densitd d'dtat _est considdrablement rdduite

aprds

deux recuits consdcutifs _sous

hydrogdne

h 400

°C,

_comme le _montrent les spectres des sdries I et 2. Les

spectres

^de la sdrie _n 3

permettent

^de mettre clairement _en Evidence _un incident _au

cours d'une

phase particulibre

du

procddd.

D'une part, ^{la densitd d'dtats} d'interface h _certes

diminud par rapport ^{h celle de la sdrie} n I mais de

fa&on

^moins

significative

_{que pour} la sdrie

n 2. D'autre part, ^les

spectres

^{des sdries} n 2 _et 3

prdsentent

des diffdrences d'allure notables,

traduisant _une anomalie _{au cours} de l'un des traitements

thermiques.

Une Etude

plus

approfondie

des spectres ^{de densitd d'dtats} d'interface fait

apparaitre

_un certain nombre de

«

pics

_» et de _« bosses _» de densitd d'dtats dont certains

apparaissent

sur

plusieurs

spectres.

Dans le _cas des dchantillons de type P, trois

pics

sont mis _en dvidence h E~ + 0.07 _±

0.02 eV

(A),

_E~ 0.38 _± 0.02 eV

(B)

et E~ 0.27 _± 0.03 eV

(C).

Il _{en est} de mdme pour les

dchantillons de type ^{N oh l'on}

distingue

trois

pics

h

E~+0.22±0.04eV(D), E~+

0.37 _± 0.02 eV

(E)

et h E~ 0.24 _± 0.02 eV

(F).

Les

pics A,

B, D _et F _sont

prdsents

_pour les trois sdries d'dchantillons. Seules leurs

amplitudes respectives

varient _en fonction de la sdrie,

ce

qui

traduit _une diminution du nombre des dtats

qui

ieur sont associds

aprbs

ies

dtapes

^de

recuit. Nous supposons

qu'ils correspondent

~ la

prdsence d'impuretds chimiques

en surface du silicium inhdrentes _au

procddd d'dlaboration,

_ces

impuretds

_pouvant diffuser ensuite _{au cours} des recuits successifs dans le volume du semiconducteur. Les

pics

C _et E _sont moins

marquds

que les

prdcddents

et

n'apparaissent

_{que pour} les sdries n° I _et 3. La

figure

7

permet

^{de suivre}

10~~

E c

'

~:

~- io12

~.

e

:

~~

"~

'' jt~

j

~

,°

~~.»6

i~

io~~

~ttltj~iit°zstt"°

"~°~~~~

j~>o

0.6 -0A -0.2 0 0,2 0A 0.6

~~ E

E~(el/~

10~~

E

C

~ ^.'

.

...

t

E _{_} .°

q

.-

, oa+

j io'~ :

U

--.,t+++++++

:°

a'

([iitt~*°

^~imt~~*

jgo

0.6

b) E~ - E, (eV)

Fig.

7.

ectres de

type N(b) [es _sdries n I (points), 2 (croix) et 3 (triangles) btenus par ompage de charge

spectroscopique.

jEnergy

(dotsl, 2

(cross) and 3 (triangles) ^btained by spectroscopicchargepumping.]

l'dvolution de _ces

pics

_sur les distributions de

pibges

ddtermindes par pompage de

charge spectroscopique

_en fonction de la sdrie et du type ^des dchantillons. Nous pensons que C _et E

pourraient correspondre

h des

pics

associds h des ddfauts de l'interface dans la _mesure oh des

analyses

DLTS rdalisdes _sur les

jonctions

source/substrat et

drain/substrat

des transistors n'ont

rdvdld la

prdsence

d'aucun ddfaut

profond

dans le volume du substrat. De

plus,

la forme

particulibre

des

signaux spectroscopiques

associds h _ces spectres montre que cette

hypothbse

est

plausible.

Par

exemple,

_pour le spectre ^{de la sdrie} n I de type ^P, la

prdsence

du

pic

E _se traduit par une « bosse _»

dlargie caractdristique

_sur les

signaux

de la

figure

3b. Le

pic

C

apparaissant

en

particulier

_sur le spectre ^de la sdrie _n 3 de type ^P

(Fig.

7) alors

qu'il n'apparait

pas sur le spectre ^{de la sdrie 2 de mdme} type peut ^laisser supposer

qu'il

_{y a eu}

passivation partielle

_ou mdme

ddpassivation

de certains dtats lors des

dtapes

de recuit de la sdrie n° 3. C'est

une

hypothbse qui

est

cependant

difficile h v6rifier _tant que l'on _ne peut ^intervenir directement

au niveau du

proc6dd

d'dlaboration pour favoriser la cr6ation de _ces ddfauts.

Ndanmoins,

la

prdsence

de _ces deux

pics

permet

d'apprdcier

la sensibilitd des

techniques

de pompage de

charge qui

peuvent mettre en Evidence des fluctuations de densit6 de

quelques ^10~°

eV~ ^' _cm ^~

sur un intervalle

dnergdtique

rdduit

(0,2 eV)

dans la bande interdite du silicium.

5. Conclusion.

Nous _avons cherchd h confronter les

principales techniques

de

spectroscopie dlectrique

des

dtats de l'interface

Si-SiO~ (100)

_{sur une}

_grande

varidtd de transistors _et de

capacitds

de relativement

petites

dimensions. Cette Etude _est la

premibre analyse comparative systdmatique

entre des

techniques

de pompage de

charge

et

capacitives

elle _concerne des structures de

type

N et de type ^P

prdsentant

des

qualitds

interfaciales diffdrentes. Nous _avons utilisd la

technique

du pompage h trois niveaux,

prdcddemment ddveloppde [2],

et mis _{en leuvre une}

technique

de

pompage de

charge spectroscopique

basde _{sur une} dtude _en

tempdrature

du _courant

pompd.

Nous _avons montr6 que les r6sultats obtenus par ^toutes ces

techniques

sont cohdrents entre eux

et que le recouvrement des spectres ^{de densit6 d'dtats} est excellent dans le cas des

pibges

h

porteurs

majoritaires.

Ces mdthodes de caract6risation _nous ont ainsi

permis

de determiner l'mfluence

qualitative

et

quantitative

d'un traitement

thermique

de

passivation

d'un

procddd

CMOS d'dlaboration industriel _sur les

propridtds dlectriques

de l'interface.

Remerciements.

Cette Etude _a pu dtre mende h bien

grice

h la

Compagnie

IBM France. Nous _tenons h remercier tout

particulibrement

le service 1878 de l'usine IBM France de Corbeil-Essonnes.

Bibliographie

[1] Brugler J. S., Jespers G. A., IEEE Trans. Electron Dei,ices16 (1969) 297.

[2] Groeseneken G., Maes H. E., Beltran N., De Keersmaecker R. F., IEEE Trans. Electron Dei'ices 31 (1984) 42.

[3] Cilingiroglu U., Solid-State Electron. 28 (1985) l127.

[4] Plossu C.,

Choquet

C., Lubowiecki V., Balland B., Solid-State Commun. 6511988) 1231.

[5]

Mahnkopf

R.,

Przyrembel

G.,

Wagemann

H. G., J. Phys. Colloq. France 49 (1988), C4-775.

j6] Shaw J.-J., Wu K., IEDM Tech. Dig. (1989) 83.

[7] Saks N. S., Ancona M. G., IEEE Trans. Electron Devices 37 (1990) lo57.

j8]

Henning

A. K., Dimauro J. A., Electron. Lett. 27 (1991) 1445.

j9j Li X. M., Deen M. J.. Solid-State Electron. 35 (1992) lo59.

[10] Chen W., Ma T. P., IEEE Electron Device Lett, 12 (1991) 393.

[I Ii

Latyshev

A. V., Lisovskii G. A., Lomako V. M., Sov. Technical

Phys.

Lett. 17 (1991) 710.

[12]

Tseng

W. L., J.

Appl.

Phys. 62 (1987) 591.

[13] Hofmann F., Krautschneider W. H., J. Appl. Phj's. 65 (1989) 1358.

[14] Chung J. E., Mutter R. S., Solid State Electron. 32 (1989) 867.

[15] Saks N. S., Ancona M. G., IEEE Electron Device Lett. ii (1990) 339.

[16] Autran J. L., Baliand B., Plossu C.,

Seigneur

F., Gaborieau L. M., J. Phys. III France 3 (1993) 33.

[17] Ancona M. G., Saks N. S., J.

Appl.

Phys. 71(1992) 4415.

[18] Saks N. S., Ancona M. G., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 2261.

[19] Autran J. L.,

Djahli

F., Balland B., Plossu C., Gaborieau L. M., Solid State Commun. 84 (1992) 607.

[20]

Kejhar

M., IEEE Electron Device Lett, 13 (1992) 344.

[21] Van den Bosch G., Groeseneken G., Heremans P., ^Maes H. E., ESSDERC 90, 20th

European

Solid State-Device Research Conference, _p. 579.

[22] Van den Bosch G., Groeseneken G., Heremans P., Maes H. E., IEEE Trans. Electron Devices 38

(19911 1820.

[23] Kiausmann E., Fahmer W. R.,

Braunig

D., Instabilities in Silcon Devices, tome 2. G. Barbottin and A. Vapaille Eds. (Amsterdam, Elsevier Science Publishers B. V., 1989),

Chap.12.

[24] Kirton M. J., Uren M. J., Collins S., Schulz M., Karmann A., Scheffer K., Semicoiid. Sci. Technol.

4 (1989) II16.