Ce mémoire a pour but d'apporter une contribution dans le domaine de la caractérisation électrique de l'interface Silicium-Oxyde.<br /> 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 progrès rapides de la microélectronique sont liées à la miniaturisation du transistor MOS. Pour limiter les courants de fuite, SiO2 a déjà été remplacé par HfO2.mais de nouveaux diélectriques de grande constante diélectrique (high-k) devront être intégrés pour poursuivre cette progression. Le microscope à force atomique (AFM) en mode Conductive-AFM (C-AFM) est aujourd'hui un outil incontournable pour la caractérisation électrique des diélectriques en couche mince à l'échelle nanométrique. Dans nos travaux, nous avons cherché à étudier les limites du C-AM. Le C-AFM consiste à utiliser une pointe AFM comme électrode supérieure afin de faire des mesures de type I(V) ou des cartographies de courant. Nous avons cherché à identifier le phénomène qui conduit à la dégradation de la couche diélectrique par l'application d'une tension de pointe positive, matérialisée par la déformation de la surface. Nous avons montré qu'il s'agissait d'un effet thermique due à la forte densité de courant, ne s'apparentant pas à la DBIE observée sur dispositif, et pouvant aller jusqu'à la détérioration du substrat à l'interface. Ce phénomène, sans en être la conséquence, est largement favorisé par la présence d'eau. Ceci confirme qu'il est préférable de réaliser les caractérisations électriques sous ultra-vide malgré les contraintes expérimentales. Les études du diélectriques sont ainsi compromises puisque le mode de dégradation est en partie propre à la technique AFM et ne permet pas aisément d'extrapoler le comportement du matériau intégré dans un dispositif. De plus, l'étude statistique la dégradation de la couche (Weibull), couramment utilisée, est affectée par un biais d'interdépendance. De la même façon, la modélisation de la conduction à travers la couche doit être utilisée avec précaution, car la surface du contact électrique pointe-diélectrique demeure un paramètre incertain. La technique de pompage de charges permet de caractériser les pièges à l'interface oxyde/semi- conducteur en les sollicitant par l'application d'une tension de grille périodique. Elle permet d'extraire la densité d'état Dit(E) les sections efficaces de capture (σ(E)), mais ne donne pas d'information sur leur répartition spatiale. Nous avons donc adapté cette technique à la microscopie champ proche, la pointe AFM conductrice faisant office de grille. Sur des transistors dépourvus de grille spécialement préparés pour l’occasion, nous avons pu montrer la faisabilité de la technique, en accord satisfaisant avec les mesures macroscopiques. Nous mesurons un signal que nous associons à un courant pompé. Cependant, le signal est déformé comparativement aux mesures macroscopiques. Un modèle physique reste à développer puisque dans notre cas, les charges minoritaires doivent traverser depuis la source et le drain un espace non polarisé par la grille. Par la suite, un dispositif de cartographie des défauts d'interface, éventuellement résolue en énergie, pourra être développé. / The rapid progress of the microelectronic is obtained by the strong reduction of the dimensions of the MOS transistor. In order to reduce the leakage currents SiO2 is nox replaced by HfO2, but new dielectrics with a high permittivity (high-k) will have to be integrated in the future so that the progession continues. The atomic force microscope (AFM) in Conductive-AFM (C-AFM) mode is an ideal tools for the electrical characterization of thin oxide films at the nanometric scale. In our work, we have tried to study the limits of the C-AFM. C-AFM consists in using an AFM tip as a top electrode in order to perform Intensity-Current (I-V) curves or mapping the current. We have tried and identify the phenomenon which lead to the degradation of the dielectric layer during the application of the positive voltage bias on the tip, which results in a deformation of the surface under study. We have shown that it is a thermal effect due to a large density of current, which is different from dielectric induced breakdown epitaxy (DBIE) observed on the devices, and which may even lead to the degradation of the susbstrate at the interface. This phenomon is favored by the presence of water on the surface although it is not its consequence. This confirms that such electrical measurements should be performed in ultra-high vacuum in spite of the consequences in terms of complexity of the measurement setup. As a consequence, the study of the dielectric material are questionned since the degradation process is partly due to the AFM technique itself and does not allow to extrapolate easily the behaviour of the integrated device. Moreover, the statistical study of the degradation of the layer (Weibull), commonly used, is affected by a bias (measurements are interdependent). In the same way, the modeling of the conduction through the layer must be questionned because the surface of the electrical contact between the tip and the dielectric layer remains a very variable parameter. The charge pumping technique, which consists in caracterizing the traps at the semiconductor / dielectric interface by filling/emptying them with the application of an alternating gate voltage. It allows to extract the states density (Dit(E) and the capture cross section (σ(E)) but does not provide any information about their repartition on the interface. So, we have adapted this technique to the scanning probe microscopy with the conducting AFM probe as a gate. Using gate-less transistors fabricated in the frame of this work, we have demonstrated the feasability of this technique with a satisfying agreement with macroscopic measurements. We are able to measure a signal that can be related to charge pumping. However, the signal is distorted compared to macroscopic measurements. Modeling is needed because in our case, minority carriers must travel from source to drain via a non polarised area. As a perspective, an energetically resolved method to map the interfacial defects might be developed.

Ce manuscrit est une contribution à l’étude de la fiabilité et de la robustesse des composants MOSFET sur carbure de silicium, matériau semi-conducteur grand gap qui possède des caractéristiques bien meilleures que le silicium. Ces nouveaux interrupteurs de puissances permettent d’obtenir entre autres propriétés remarquables, des fréquences de commutations et des tenues en tension plus élevées dans les systèmes de conversions de puissance. Ils sont particulièrement mis en avant depuis un peu plus d’une dizaine d’années pour les gains en performances, diminution des tailles et poids qu’ils apportent à certaines topologies de convertisseurs pour les réseaux haute tension à courant continu. Puis sont répertoriés les principaux mécanismes de défaillances de ces MOSFET SiC induits par la faiblesse de la grille. Toutes les mesures nécessaires au suivi des paramètres clés lors des prochains vieillissements sont présentées. Les résultats de nos tests sur l’instabilité de la tension de seuil sont aussi détaillés et un modèle empirique pour valider le comportement de relaxation observé est proposé. Celui-ci nous aidera par la suite à établir un protocole de mesure rigoureux de la tension de seuil. Les tests expérimentaux et résultats de vieillissement en statique et dynamique sur les composants 1,7 kV vont permettre de se rendre compte de l’importance de la dérive de la tension de seuil sur 1000 h. Dans le cas d’un vieillissement statique, il y a environ 7 % de dérive positive du VTH et un pourcentage équivalent pour les tests dynamiques. Des analyses supplémentaires (C-V et pompage de charge) sur l’oxyde de grille en cours de vieillissement sont proposées pour une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu dans la dégradation de l’oxyde. Enfin, les derniers tests présentés seront focalisés sur le comportement en court-circuit et courts-circuits répétitifs des mêmes composants. Avec une énergie critique évaluée autour de 1,5 J nos tests sur les MOSFET 1,7 kV montrent les limites de la robustesse de ces composants, avec une tenue en court-circuit bien inférieure à 10 µs et une incapacité à résister à plus de 150 courts-circuits successifs. L’influence de la tension entre drain et source y est notamment étudiée, et montre que l’énergie critique supportée par le composant diminue avec l’augmentation de cette tension. / This manuscript is a contribution to reliability and robustness study of MOSFET components on silicon carbide “SiC”, wide band gap semiconductor with better characteristics compared to silicon “Si” material. Those new power switches can provide better switching frequencies or voltage withstanding for example in power converter. SiC MOSFET are the results of approximately 10 years of research and development and can provide increased performances and weight to some converter topology for high voltage direct current networks. Others power switches available are still introduced and an introduction to reliability is explaining why such work on this new power switches is important. Transition from Si technologies to SiC ones require a lot of work regarding its robustness. Before showing reliability and robustness results is presented I give a lot of details regarding to the measurement and monitoring of key parameters used in the next chapters. The results of our tests on the threshold voltage instability are presented and how we validated an empirical model on this drift. This was used to propose an enhanced measurement protocol on the threshold voltage. Static and dynamic experimental results presented next will show if the voltage drift during ageing is significant or not. Further analysis is proposed to add more insight on the understanding of the oxide degradation mechanisms through C-V and charge pumping measurements. Finally, the ageing results presented on 1,7 kV SiC MOSFET are focused on the short-circuit and repetitive short-circuit behavior of the same components. Drain to source voltage influence on critical energy during this particular and stressful operation mode is studied. This time, the results are worrying.The last chapter is confidential.