ÉTUDE ET MODELISATION DE L’INJECTION DE PORTEURS ENERGETIQUES DANS L’ISOLANT DES STRUCTURES MIS

Fahed M. CHEHADE

L’objectif de ce travail était d’étudier l’injection des porteurs énergétiques du silicium dans l’isolant des structures MIS et la  modélisation de ce phénomène.

D’abord, nous avons fait l’étude de l’injection des électrons chauds dans l’oxyde des structures MOS. Les mesures que nous avons réalisées montrent que la probabilité d’injection dépend des polarisations appliquées sur la grille et sur le substrat.

Nous avons étendu le modèle de l’électron chanceux pour tenir compte des porteurs dont l’énergie n’est pas suffisante pour l’injection par dessus la barrière Si – SiO₂ . En effet, certains de ces porteurs peuvent traverser la barrière par effet tunnel ou par effet FOWLER-NORDHEIM. Ce modèle décrit convenablement l’injection des électrons énergétiques dans une configuration des champs unidimensionnelle.

Les résultats obtenus nous ont amenés à suivre la même démarche pour la modélisation du phénomène d'injection des trous énergétiques dans l'isolant des structures MIS. Nous avons déterminé la valeur du libre parcours moyen des trous dans le silicium λ_t . Elle est bien inférieure à celle du libre parcours moyen des électrons. Compte tenu de ce résultat, et du fait que la hauteur de la barrière d'énergie entre les bandes de valence du silicium et de l’oxyde est plus élevée qu'entre leurs bandes de conduction, la probabilité d'injection des trous sera plus faible que celle des électrons.

Toutefois, l’injection des trous, même en restant très faible, contribue effectivement au phénomène de dégradation des composants parce que la majorité des trous injectés restent piégés dans l’oxyde et participent à la création des états d'interface.

La dégradation des composants se manifeste par la dérivé de la tension de seuil due en particulier aux charges piégées dans l'oxyde, et par la diminution de la transconductance résultant essentiellement de l'augmentation des états d'interface.

Cependant, l'effet de l’injection des porteurs énergétiques peut être réduit par l'amélioration de la qualité de l’oxyde et de celle de l'interface Si‑SiO2 (par recuit par exemple) ou par la mise en œuvre d'une procédure technologique qui peut aboutir  à la réduction du champ électrique dans la région de drain. C’est ce champ électrique qui est responsable du "chauffage" des porteurs et de leur injection dans l’isolant des composants.

Prolongement de ces recherches

Nous avons calculé la valeur du libre parcours moyen des trous dans le silicium déposé sur corindon. Il faudrait vérifier cette valeur dans le silicium massif. Dans ce cas, il faut que le dopage du substrat soit plus élevé de façon à  obtenir un courant de trous injectés mesurable.

Ce résultat est nécessaire pour prévoir le courant de trous injecté dans l’isolant des composants de petites dimensions grâce à des simulations bidimensionnelles.

Une étude complémentaire que nous jugeons souhaitable sera l’étude expérimentale des probabilités de piégeage des deux types de porteurs injectés dans l’isolant. et de la contribution de chaque type de porteurs au mécanisme de dégradation des composants.