In-depth analysis of the Si-SiO2 interface traps using the charge pumping technique
Analyse en profondeur des défauts de l'interface Si-SiO2 par la technique du pompage de charges
Résumé
The purpose of this work is to contribute to a better electrical characterization of the Silicon-Oxide interface.
The first two sections are dedicated to the Si-SiO2 system and to the presentation of the characterization methods which allow informations on the « slow » states, i.e. states located into the oxide near the interface and communicating with semiconductor by tunneling, to be obtained. In the third section a model which enables the extraction of the in-depth profile of the Si-SiO2 interface traps from charge pumping measurements is introduced. This model, which takes into account both, fast and slow states, is based on Shockley-Read-Halls statistics and on a tunneling model (Heiman and Warfield's model). Firstly this model is discussed. Then it is shown that the links made in some papers between the charge pumping curves and the existence of a non uniform doping near the source and drain region of the transistors have to be re-considered. The trap depth-profiles, obtained for the first time from the interface up to a tens of angströms into the oxide for various devices from different technologies are of the form : Nt(x) = Ntsexp(-x/d) + Nt0. The first term in this equation corresponds to the Si-SiO2 interface trap layer while Nt0 corresponds to defects located in the so called oxide transition layer. These results, substanciated in different ways, are in agreement with those provided by physical characterization methods of the interface. Two applications of the method are presented. The first one deals with the influence of the nitrogen concentration in RTCVD oxinitrides films on the parameters of the trap profiles. The second one is a study of the degradation of the Si-SiO2 interface under Fowler-Nordheim injection. It enables to answer the question of the evolution, under stress, of the slow state density with respect to that of the fast states. Finally, the comparison with noise spectrocopy allows a clear correlation between the evolution with the injection dose of the characteristics of the trap profiles and the slope of the 1/f noise spectra to be made.
The first two sections are dedicated to the Si-SiO2 system and to the presentation of the characterization methods which allow informations on the « slow » states, i.e. states located into the oxide near the interface and communicating with semiconductor by tunneling, to be obtained. In the third section a model which enables the extraction of the in-depth profile of the Si-SiO2 interface traps from charge pumping measurements is introduced. This model, which takes into account both, fast and slow states, is based on Shockley-Read-Halls statistics and on a tunneling model (Heiman and Warfield's model). Firstly this model is discussed. Then it is shown that the links made in some papers between the charge pumping curves and the existence of a non uniform doping near the source and drain region of the transistors have to be re-considered. The trap depth-profiles, obtained for the first time from the interface up to a tens of angströms into the oxide for various devices from different technologies are of the form : Nt(x) = Ntsexp(-x/d) + Nt0. The first term in this equation corresponds to the Si-SiO2 interface trap layer while Nt0 corresponds to defects located in the so called oxide transition layer. These results, substanciated in different ways, are in agreement with those provided by physical characterization methods of the interface. Two applications of the method are presented. The first one deals with the influence of the nitrogen concentration in RTCVD oxinitrides films on the parameters of the trap profiles. The second one is a study of the degradation of the Si-SiO2 interface under Fowler-Nordheim injection. It enables to answer the question of the evolution, under stress, of the slow state density with respect to that of the fast states. Finally, the comparison with noise spectrocopy allows a clear correlation between the evolution with the injection dose of the characteristics of the trap profiles and the slope of the 1/f noise spectra to be made.
Ce mémoire a pour but d'apporter une contribution dans le domaine de la caractérisation électrique de l'interface Silicium-Oxyde.
Les deux premiers chapitres sont consacrés à des rappels sur le système Si-SiO2 et à la présentation des principales méthodes de caractérisation électriques qui ont permis d'apporter des informations sur les états dits « lents », états situés dans l'oxyde au voisinage de l'interface et communiquant avec le semiconducteur par effet tunnel. Dans le troisième chapitre un modèle ayant pour but d'extraire à partir de mesures de pompage de charges, le profil en profondeur des défauts de l'interface Si-SiO2 est proposé. Ce modèle, qui prend en compte à la fois les états rapides et les états lents, est basé sur la statistique de Shockley-Read-Hall et sur un modèle de capture des porteurs par effet tunnel (modèle d'Heiman et Warfield). La validité de ce modèle est d'abord discutée. Il est ensuite montré que les liens faits dans certaines publications entre les courbes de pompage de charges et la présence d'un dopage non uniforme au voisinage des régions de source et de drain des transistors sont à reconsidérer. Les profils en profondeur de défauts extraits pour la première fois et pour un grand nombre de dispositifs de différentes technologies, depuis l'interface jusqu'à environ une quinzaine d'angströms dans l'oxyde, sont de la forme Nt(x) = Ntsexp(-x/d) + Nt0. Le premier terme de cette relation correspond aux défauts d'interface à proprement parler, le deuxième correspond aux défauts de la couche dite « contrainte » de l'oxyde. Ces résultats, confortés de différentes manières, sont corrélés avec les résultats de la littérature obtenus par les méthodes physiques de caractérisation de l'interface. Deux applications de la technique sont présentées. La première porte sur l'évolution des paramètres de l'interface en fonction de la concentration en azote d'oxynitrures obtenus par RTCVD. La seconde consiste en l'étude de la dégradation de l'interface Si-SiO2 sous injection Fowler-Nordheim et permet de connaître l'évolution avec la contrainte de la densité des états lents par rapport à celle des états rapides. Finalement, la comparaison avec la spectroscopie de bruit permet une corrélation claire entre l'évolution avec la dose injectée des caractéristiques des profils de pièges et la pente des spectres du bruit en 1/f.
Les deux premiers chapitres sont consacrés à des rappels sur le système Si-SiO2 et à la présentation des principales méthodes de caractérisation électriques qui ont permis d'apporter des informations sur les états dits « lents », états situés dans l'oxyde au voisinage de l'interface et communiquant avec le semiconducteur par effet tunnel. Dans le troisième chapitre un modèle ayant pour but d'extraire à partir de mesures de pompage de charges, le profil en profondeur des défauts de l'interface Si-SiO2 est proposé. Ce modèle, qui prend en compte à la fois les états rapides et les états lents, est basé sur la statistique de Shockley-Read-Hall et sur un modèle de capture des porteurs par effet tunnel (modèle d'Heiman et Warfield). La validité de ce modèle est d'abord discutée. Il est ensuite montré que les liens faits dans certaines publications entre les courbes de pompage de charges et la présence d'un dopage non uniforme au voisinage des régions de source et de drain des transistors sont à reconsidérer. Les profils en profondeur de défauts extraits pour la première fois et pour un grand nombre de dispositifs de différentes technologies, depuis l'interface jusqu'à environ une quinzaine d'angströms dans l'oxyde, sont de la forme Nt(x) = Ntsexp(-x/d) + Nt0. Le premier terme de cette relation correspond aux défauts d'interface à proprement parler, le deuxième correspond aux défauts de la couche dite « contrainte » de l'oxyde. Ces résultats, confortés de différentes manières, sont corrélés avec les résultats de la littérature obtenus par les méthodes physiques de caractérisation de l'interface. Deux applications de la technique sont présentées. La première porte sur l'évolution des paramètres de l'interface en fonction de la concentration en azote d'oxynitrures obtenus par RTCVD. La seconde consiste en l'étude de la dégradation de l'interface Si-SiO2 sous injection Fowler-Nordheim et permet de connaître l'évolution avec la contrainte de la densité des états lents par rapport à celle des états rapides. Finalement, la comparaison avec la spectroscopie de bruit permet une corrélation claire entre l'évolution avec la dose injectée des caractéristiques des profils de pièges et la pente des spectres du bruit en 1/f.
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