Non-uniformité de la distribution spatiale des états de surface dans le canal des transistors CMOS

Nous avons montré que les densités moyennes d'états d'interface obtenues par la technique de pompage de charge peuvent conduire à une surestimation du nombre réel de ces défauts en milieu de canal des transistors MOS, lorsque l'on suppose qu'ils sont uniformément distribués sur toute l'étendue de l'interface Si-SiO2. Les densités d'états de surface peuvent être plus élevées près de la source et du drain, même lorsque le transistor MOS n'a pas été soumis à une contrainte de vieillissement. Nous suggérons que cette augmentation est due aux dommages inévitablement produits au cours de certaines étapes du procédé d'élaboration des transistors et en particulier lors de la gravure plasma de l'électrode de grille. Les densités locales des états de surface doivent alors nécessairement être prises en compte, lors des études de vieillissement sur de tels composants. Nous proposons une nouvelle méthode de calcul permettant d'accéder, à partir des mesures en pompage de charge, à la densité d'états d'interface à proximité de la source et du drain avant et après injection de porteurs chauds

Conséquences d'une injection tunnel Fowler-Nordheim dans des structures MOS à oxyde mince

Le comportement de structures MOS à oxyde mince et à grille Si-Poly ou Al, soumises à une injection de porteurs dans SiO2 par mécanisme tunnel Fowler-Nordheim, a été étudié. Les centres de capture initialement présents dans la couche isolante de la grille ont été caractérisés par leur section efficace, leur localisation spatiale et leur concentration. Leur remplissage est indépendant de la polarité de la tension appliquée. De plus, nous avons montré qu'il y a dégradation progressive des deux interfaces délimitant la couche de SiO2. Celle-ci correspond à une génération de nouveaux sites électroniques qui ne sont pas de simples états d'interface, mais apparaissent comme des pièges induits dans SiO2. Leur taux de création et leur densité dépendent de la technologie d'élaboration. Leur génération joue un rôle déterminant quant au mécanisme de fiabilité de tels dispositifs

Non-uniformité de la distribution spatiale des états de surface dans le canal des transistors CMOS

In this paper, we show that the interface state density in the middle of the channel obtained by charge pumping measurements on small size MOS transistors can be over-estimated, because of the actual non uniform spatial distribution along the Si-SiO2 interface. It appears to be necessary to take into account the local densities of surface states before degradation, when the charge pumping technique is used to analyse the rate of creation of new interface states in MOS transistors subjected to aging stresses. A new calculation method has been proposed which allows the determination of the surface states densities in the vicinity of the drain before and after channel hot carrier injection.Nous avons montré que les densités moyennes d'états d'interface obtenues par la technique de pompage de charge peuvent conduire à une surestimation du nombre réel de ces défauts en milieu de canal des transistors MOS, lorsque l'on suppose qu'ils sont uniformément distribués sur toute l'étendue de l'interface Si-SiO2. Les densités d'états de surface peuvent être plus élevées près de la source et du drain, même lorsque le transistor MOS n'a pas été soumis à une contrainte de vieillissement. Nous suggérons que cette augmentation est due aux dommages inévitablement produits au cours de certaines étapes du procédé d'élaboration des transistors et en particulier lors de la gravure plasma de l'électrode de grille. Les densités locales des états de surface doivent alors nécessairement être prises en compte, lors des études de vieillissement sur de tels composants. Nous proposons une nouvelle méthode de calcul permettant d'accéder, à partir des mesures en pompage de charge, à la densité d'états d'interface à proximité de la source et du drain avant et après injection de porteurs chauds

Effect of some technological parameters on Fowler-Nordheim injection through tunnel oxides for non-volatile memories

International audienceIn this work the effects of various technological parameters on Fowler-Nordheim injection through thin (around 7.2 nm) silicon dioxide films in metal-oxide-semiconductor capacitors have been studied. Attention has been paid to the effect of gate geometry (round or strip gate) and area, substrate doping type (boron or phosphorus one), polycrystalline silicon gate structure (simple polysilicon or polysilicon-oxide-nitride-oxide-polysilicon structure) and tunnel oxide type (standard or nitrided silicon dioxide). The effect of all these parameters on Fowler-Nordheim tunneling injection and on the potential barrier height at both oxide injecting interfaces are usually neglected in literature and moreover the tunnel coefficients obtained from a simple capacitor are used in the simulation of programmable operations of electrically erasable programmable read only memories. Quasi-static capacitance (voltage) and current (voltage) measurements have been performed and the latter have been simulated by using a constant effective barrier height at the injecting interface. We have found that Fowler-Nordheim tunneling parameters and potential barrier height at both oxide injecting interfaces are affected by the substrate doping type, oxide type, gate geometry and gate structure but they are not affected by the gate area. Moreover in all structures, a difference between the barrier heights at the two injecting interfaces has been observed. The variation induced by the studied technological parameters on the potential barrier height are comparable to the variation induced by considering a constant (classical theory) or electrical field dependent (quantum theory) barrier height as reported in literature

SUPERFICIAL-ENHANCED THERMAL NITRIDATION OF SiO2 THIN FILMS

La nitruration superficielle de films minces (~ 13nm) de SiO2 peut être stimulée en pratiquant des recuits répétitifs entre 900°C et 1200°C dans une faible pression (≤10-1mbar) d'ammoniac de pureté contrôlée. La zone superficielle nitrurée s'étend alors sur 3 à 4 nm avec une décroissance rapide de la concentration d'azote en fonction de la profondeur. Les résultats expérimentaux suggèrent que les espèces amines NHX (0 < X < 3) sont essentielles dans le processus de nitruration de SiO2 par NH3. Des structures Al/SiO2 nitrurée/Si(100)p ont été fabriquées in situ ou non. En optimisant les conditions de nitruration, les mesures électriques révèlent une faible densité d'états d'interface (1010 à 1011 eV-l cm-2), une bonne tenue à l'injection d'électrons caractérisée par un équilibre entre piégeage et dépiégeage dans la région nitrurée et un champ destructif parfois supérieur à 10 MV cm-1.Superficial nitridation of thin (~ 13nm) SiO2 films can be enhanced using annealing cycles of short duration at high temperatures (900°C-1200°C) in low pure ammonia pressures (≤10-1mbar). The nitrided surface region is 3 to 4 nm wide with a rapidly decreasing nitrogen concentration versus depth. The experimental data suggest that amine NHX (0 < X < 3) species are essential in the nitridation process of SiO2 using NH3 gas. Al-gat/nitrided SiO2/Si(100)p capacitors have been prepared in situ or not. Electrical measurements show that a low interface-state density (1010 to 1011 eV-l cm-2), a good stability during electron injection due to a balance between trapping and detrapping in the nitrided region of SiO2 and a destructive breakdown field as high as 10 MV cm-1 can be achieved by optimizing nitridation conditions

Towards a model linking tunnel oxide degradation to programming window closure in EEPROM cells

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