Structure MIS PDF [PDF]

Zitiervorschau

Chapitre 4 La structure M.I.S (Métal. Isolant. Semi-conducteur) 4.1 Réalisation d’une MIS : En technologie Silicium, nous utilisons deux types d’isolants : l’Oxyde de Silicium SiO2 ou le Nitrure de Silicium Si3N4*, telles que les structures suivantes : Al/ SiO2/Si(N), Al/ SiO2/Si(P), Al/ Si3N4/Si(P) Au/ SiO2/Si(N) ou Au/ SiO2/Si(N) Le procédé de réalisation d’une MIS est composé de 3 étapes : -

Une étape d’oxydation où on fait croître une couche d’oxyde SiO2 par CVD (ou par plasma) sur la surface du wafer silicium (N) ou (P).

-

Une étape de métallisation de grille par évaporation sous vide de l’aluminium,

-

Et une dernière étape qui consiste à métalliser la face arrière du plaquette Si(N) ou Si(P).

4.2 Structure MIS idéal à l’équilibre thermodynamique : Pour faciliter l’étude électrique de la structure MIS (MIS réelle), nous posons trois hypothèses : -

La couche d’oxyde isole parfaitement le sc de la grille métallique (pas de charges libres dans l’isolant),

-

Les travaux de sortie du métal et du sc sont identiques : em= es Le dopage du semi-conducteur est tel que les travaux de sortie du métal et du

semi-conducteur sont identiques*. -

Absence de charge à l’interface isolant/sc.

La figure 1, donne le diagramme d’énergie d’une structure MIS idéale à l’équilibre thermodynamique ; nous prenons la structure : Al/ SiO2/Si(N).

Al SiO2 Si(p)

Al

Env

E

Env ei es

em

es

Ec

EF

EF

Ev

ei Fig 1 . Diagramme d’énergie d’une structure MIS idéal Les bandes d’énergie côté isolant plus semi-conducteur sont plates, on est en régime de bandes plates

4.3 Structure MIS idéal polarisée : Appliquons une tension VG sur la grille métallique, le potentiel de référence étant celui du semi-conducteur : a- VG>0 : régime d’accumulation :  Densité de charge : Quand on applique une tension VG entre le métal et le sc , il apparaît un champ électrique dans l’isolant (i) et un champ électrique à l’interface isolant/sc (s) liés par l’équation  suivante :  i  i   s  s , équation exprimant la continuité du vecteur déplacement D à l’interface isolant/sc. La figure 2, illustre le diagramme d’énergie de la structure polarisée.

xp

i

s Env

-eVG

Env

ei

es

es

em Ec EF

EF Eg

Ev 0 volt

VG Zone d’accumulation

Fig 2. Diagramme d’énergie en régime d’accumulation.

-

Sous l’action du champ électrique s , les é du sc (les porteurs majoritaires) ont

tendance à venir s’accumuler près de l’interface, entraînant une courbure vers le bas des niveaux EC et Ev : c’est le régime d’accumulation.

- Sur la grille métallique, il apparaît une charge positive par unité de surface : Qm > 0. - Les é attirés vers l'interface isolant-semiconducteur forment une charge négative par unité de surface : Qs = - Qm < 0. La structure MIS est alors équivalente à une capacité qui a pour diélectrique, la couche isolante SiO2. La figure 3 donne la répartition des charges dans une MIS en régime d’accumulation.

 M

I

S

Qm x Qs

Fig 3. Densité de charge  Potentiel de surface Vs : La tension de polarisation VG appliquée sur la grille métallique se répartit entre l’isolant et le semi-conducteur : VG=Vi + Vs - Vi = tension maintenue par l’isolant, - Vs = tension à l’interface isolant/sc ou potentiel de surface.  Potentiel et Champ électrique : V(x) M

I

S

VG Vi

Vs x

0

Fig 4 : Distribution de potentiel V(x) ei

Le champ (x) est obtenu par la dérivation du potentiel V(x) : ( x )  

dV( x ) . dx

(x) ii=ss avec i < s i

s

i = 3,45 10-11 F/m. pour SiO2

=cte

Fig 5 : Champ électrique x

 Capacité de la structure MIS en régime d’accumulation :

C acc  C i 

 0 i ei

 ( pF / cm 2 ) ; Cacc est indépendante de l’excitation VG.

b- VG 0 au niveau de la grille métallique, - et une charge opposée

Qs   Qm > 0 au voisinage de l’interface isolant/sc , figure 7.

i Env -eVG

s Env

ei

es

em EF

es

Ec

 

-eVG

EF

Ev 0 volt

VG Zone de désertion

Fig 6 Diagramme d’énergie de la structure MIS en régime de désertion :

(x) M

I

S

Qs = eNd.xd xd = profondeur de la ZCE

Qs x Qm

Fig 7. Densité de charge

 Potentiel et champ électrique en régime de désertion : Les figures 8a, b donnent les distributions du potentiel V(x) et du champ E(x) :

V(x) M

I

S

0 x Vs VG

ei

(x)

ii=ss avec i < s M

I

S

s

i = 3,45 10-11 F/m. pour SiO2

x

i

Fig 8a, b Potentiel et Champ électrique en régime de désertion.  Capacité de la structure MIS en régime de désertion : Dans ce régime on doit tenir compte de la capacité de la ZCE formé au voisinage de l’interface isolant/sc, CZCE :

La capacité totale de la structure : C total  C des  avec C i 

0 i ei

C i  C ZCE . C i  C ZCE

et C ZCE 

0 s x d (VG )

.

Notons bien la dépendance de la capacité Cdes avec la tension de grille VG.

- Calcul du potentiel de surface Vs et du champ électrique de surface

s

: (TD)

- Evolution de Cdes avec la tension de grille (TD) c- Tension de grille fortement négative : régime d’inversion Le diagramme d’énergie de la structure en régime d’inversion est représenté sur la figure 9 i

Env

s

ei

-eVG

Env

em es

EF -eVG

es

 

Ec EF EFi

Fig. 9

Ev VG