Mémoires de Fin d’Etudes
Etablissement
Université de Sidi Bel Abbès - Djillali Liabes
Affiliation
Département d’Electronique
Auteur
METEHRI, Fethi
Directeur de thèse
KEBBAB Zoubir (Maitre de conférence)
Co-directeur
DJEZZAR Boualam
Filière
Electronique
Diplôme
Doctorat
Titre
Modélisation de la dégradation BTS dans les dispositifs MOS
Mots clés
Ab initio, Modélisation, BTS, Dipositif MOS
Résumé
La miniaturisation des composants de base des circuits intégrés a permet aux fabricants des IC’s d’augmenter exponentiellement la production en diminuant le coût [1]. Cependant, cette miniaturisation a entraîné une réduction accélérée de l’épaisseur du diélectrique de la grille des transistors d’un nœud technologique à un autre. Ce qui a induit une augmentation du champ électrique de la grille ainsi qu’une augmentation de la température de fonctionnement des circuits. Ces conséquences posent actuellement des problèmes de fiabilité dans les CI’s à base de Si, tels que le NBTI (Negative Bias Temeperature Instability) et le PBTI. Le NBTI est connu depuis les années 60 [2], mais récemment est devenu très important dans la fiabilité des transistors. En effet, le NBTI cause une augmentation de la tension de seuil, dégradation de la mobilité, du courant du drain et de la transconductance et par conséquent détérioration du CI’s. Cette dégradation est attribuée à la création des pièges à l’interface et dans l’oxyde induits par l’application d’une tension négative à la grille à température élevée. Plusieurs études ont été effectuées sur le stress BTS [2-4] afin de comprendre ses mécanismes physiques, de le modéliser et de prévoir la durée de vie des CI’s. Malgré le nombre élevé de publications parues ces derniers temps, il existe toujours une grande divergence entre les différents modèles et les données expérimentales. Stathis [5] et Schroder [6] ont publiés une excellente synthétise sur cet effet. Le modèle physique le plus populaire est le modèle Réaction-Diffusion (R-D) [7]. Une espèce hydrogénée, positivement chargée, est libérée lors de la réaction des porteurs trous avec les liaisons Si-H en générant des pièges à l’interface (Réaction). Ensuite, H+ diffuse dans l’oxyde de grille et crée des pièges dans l’oxyde. Le premier processus est linéairement dépendent du temps, par contre la dépendance du deuxième suit la loi en puissance tn. La valeur de n dépend du temps (délai) mis entre le stress et la caractérisation; n = 0.3 pour un délai de 1 s [8] et 0.14 pour un temps de 0 s (sans délai) [9]. De plus, n dépend de l’espèce diffusante (H, H2) [10]. Cependant, des questions restent toujours posées telles que : quelle est la valeur réelle de n? Jusqu’à aujourd’hui, il n’existe pas un modèle qui décrit toutes les observations expérimentales de la dégradation NBTI. Dans ce contexte, nous nous proposons, à travers cette thèse, la modélisation de la dégradation NBTI de l’échelle atomique aux caractéristiques macroscopiques de la dégradation NBTI en utilisant le calcul, par « first-principal quantum mechanical » et density functional theory (DFT), de la formation de défauts précurseurs et de la transformation des défauts précurseurs aux pièges actifs. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de proposer un modèle pour les pièges dans le SiO2 (position et énergie) basé sur le calcul des défauts précurseurs derrière l’effet NBTI afin de pouvoir établir un modèle qui prédit la durée de vie des dispositifs. Pour atteindre cet objectif, l’étudiant suivra, d’une manière générale, la méthodologie ci-après : - Etude théorique et bibliographique. - Acquisition et mise en place de plateforme soft/hard nécessaire le calcul des défauts précurseurs. - Propositions des modèles des défauts précurseurs et de leur transformation aux pièges actifs. - En collaboration avec les chercheurs expérimentateurs, ensemble ils connecteront les pièges électriquement actifs calculés aux conditions de stress NBTI (Température et champ), puis à la dégradation des caractéristiques du transistor. Référence [1] “Process Integration, Devices, and Structures: Reliability Technology Requirements,” International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS’09, edition 2009, pp. 19-20, December 31, 2009. [2] M. A. Alam, and S. Mahapatra, “A comprehensive model of PMOS NBTI degradation,” Microelectronics Reliability, vol. 45, issue 1, pp. 71-81, 2005. [3] V. Huard, M. Denais, and C. Parthasarathy, “NBTI degradation: From physical mechanism to modeling,” Microelectronics Reliability, vol.46, pp. 1-23, 2006. [4] T. Aichinger, M. Nelhiebel, and T. Grasser, “Unambiguous Identification of the NBTI Recovery Mechanism using Ultra-Fast Temperature Changes” IRPS’09, Montreal, Canada, Apr. 26-30 2009, pp. 2-7. [5] J. H. Stathis, S. Zafar, “The negative bias temperature instability in MOS devices: a review,” Microelectronics Reliability, vol.46, pp.270–86, 2006. [6] D. K. Schroder, “Negative bias temperature instability: What do we understand?,” Microelectronics Reliability, vol. 47, pp. 841-852, 2007. [7] M.A. Alam, H. Kufluoglu, D. Varghese, S. Mahapatra, “A comprehensive model for PMOS NBTI degradation: Recent progress,” Microelectronics Reliability, vol.47, pp. 853-862, 2007. [8] A.T. Krishnan, S. Chakravarthi, P. Nicollian, V. Reddy, S. Krishnan, “Negative bias temperature instability mechanism: the role of molecular hydrogen,” Appl. Phys. Lett., vol. 88, n° 15, pp 3518-1–3518-3, 2006. [9] D. Varghese, D. Saha, S. Mahapatra, K. Ahmed, F. Nouri, A. Alam, “On the ispersive versus Arrhenius temperature activation of NBTI time evolution in plasma nitrided gate oxides: measurements, theory, and implications,” IEEE Int Electron Dev Meet., Tech. Dig., pp. 701–704, 2005. [10] M. Alam, H. Kufluoglu, “On quasi-saturation of negative bias temperature degradation. In: Massoud HZ, Stathis JH, Hattori T, Misra D, Baumvol I, editors. Physics and chemistry of SiO2 and the Si–SiO2 interface – 5. Pennington, NJ: Electrochem. Soc., pp. 139–46, 2005.
Statut
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