Depuis le noeud technologique CMOS 45 nm, l'industrie de la microélectronique a remplacé l'empilement de grille historique SiO2/polySi par le couple oxyde à haute permittivité (HK)/grille métallique (MG). Si ce choix a permis de diminuer les courants de fuites, d'autres difficultés sont apparues notamment à cause de la diffusion incontrôlée des espèces chimiques et des interactions entre les matériaux des nouveaux empilements. Ceci est la conséquence des forts budgets thermiques associés aux procédés de fabrication du schéma d'intégration « gate first » utilisé jusqu'alors par l'industrie de la microélectronique. Une option pour minimiser ces effets est d'utiliser un nouveau procédé d'intégration associé à un bas budget thermique dit « gate last ».
Dans ce contexte, il existe aujourd'hui un besoin de réaliser des grilles métalliques pour les transistors CMOS des futurs nœuds technologiques 20-14 nm, notamment pour des applications dites "faible consommation" destinées à être embarquées sur les produits électroniques nomades (smart phone, ebook). Pour satisfaire le cahier des charges de l'ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), un métal de grille déposé sur HfO2 avec une épaisseur d'oxyde équivalente (EOT) sub–nanométrique et un travail de sortie effectif (EWF) compatible pour une co-intégration nMOS et pMOS (CMOS) est exigé.
Le Nitrure de titane (TiN) sur HfO2 est déjà considéré comme le métal adapté au transistor de type p d'un inverseur CMOS. Trouver un métal nMOS compatible avec le HfO2 s'est révélé plus difficile. Nous avons étudié le cas de matériaux réactifs déposés sur TiN. Les métaux simples Ti, Al et le binaire TiAl ont été considérés. Nous avons aussi examiné le cas du ternaire TiAlN directement déposé sur HfO2 en faisant varier la concentration en N.
Dans ce travail de thèse, Nous avons concentré nos efforts sur la compréhension de la modulation des paramètres électriques EWT et EOT dans le cas d'un bas budget thermique (T≤400°C). En étudiant de façon systématique la distribution spatiale des éléments et leurs liaisons chimiques par différentes méthodes d'analyse physico-chimique (STEM EDX/EELS résolues spatialement, TOF-SIMS et XPS par face arrière) et sur la base de considérations thermodynamiques, nous avons déterminé le comportement particulier des éléments N et O par rapport aux éléments métalliques Ti, Al et TiAl et leur impact sur les paramètres électriques. La diffusion des éléments, en particulier leur distribution à l'interface HK/MG, est corrélée à la modulation du travail de sortie effectif. Par ailleurs, les variations d'EOT sont reliées à la consommation d'oxygène dans la silice qui se forme toujours à l'interface Si/HK. Ce phénomène induit à distance par le Ti, l'Al ou le binaire TiAl a été compris sur la base de considérations thermodynamiques incluant les énergies libres de formation des oxydes métalliques correspondants et la solubilité de l'O dans ces métaux. Les résultats ainsi obtenus ont ensuite été utiles pour comprendre le cas plus complexe du ternaire TiAlN directement déposé sur HfO2. Ce dernier cas correspond au meilleur compromis pour contrôler le EWF par simple modification de la concentration en N avec un EOT sub-nanométrique. La stabilité thermique de ces électrodes reste limitée à des températures comprises entre 500 et 700°C selon l'empilement considéré (TiN/Al, TiN/TiAl or TiAlN).
Innover pour proposer d'autres choix alternatifs de métaux a constitué une autre partie de notre travail. Dans ce but, les métaux Ta et Ni ont été étudiés dans différentes configurations et alliés à différents métaux (TaN/Ta, Ta/Ni, Ni/Ti). Leurs comportement vis-à-vis de l'O et de l'N et la stabilité thermique de ces nouvelles électrodes a été évaluée pour comprendre leurs différents comportements par rapport aux empilements HfO2/TiN(Al). En particulier, l'empilement Ni/Ti est apparu très prometteur pour une co-intégration CMOS à bas budget thermique (T≤600°C).
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Since the 45nm CMOS technological node, the microelectronics industry replaced the historical SiO2/polysilicon gate stack by the high permittivity oxide (HK)/metal gate (MG) couple. If this choice solved the problem of undesired leakage currents, other difficulties appeared due to the uncontrolled interdiffusion and reactivities of the new gate materials. This is the consequence of the high thermal budget required for the CMOS integrated in the gate first fabrication process. To minimize these difficulties, one option consisted in implementing a new integration scheme with a lower thermal budget like the so-called “gate last” process.
In the frame of this approach, gate materials are needed today for the sub-20nm complementary MOS (CMOS) technological nodes in particular for low-power mobile applications (smart phone, ebook). To fit the International Technology Roadmap for Semiconductors requirements, gate materials deposited on HfO2 (the chosen high permittivity oxide that replaced SiO2 in microelectronics since 2007) with sub-nm equivalent oxide thickness (EOT) control and effective work function (EWF) relevant for nMOS and pMOS co-integration (CMOS) are required.
TiN was already a well-known pMOS compatible metal electrode for HfO2. Finding CMOS compatible gate materials with an n-type character was more challenging. For this, we investigated layers of reactive materials deposited on TiN. Single metals like Ti and Al and the binary metallic system TiAl were considered. Then, the case of the ternary TiAlN metal alloy directly deposited on HfO2 with different N content was examined.
We particularly focused our effort on understanding the origins of the electrical parameters (EWF and EOT) variations measured after a low thermal budget process (T≤400°C). A systematic investigation of the elemental distributions across the stack and of the chemical environments was performed by physico-chemical methods (spatially resolved STEM EDX/EELS, TOF-SIMS and back-side XPS) in addition to thermodynamic considerations. By this way, we determined the particular behavior of N and O with respect to Ti, Al and the binary TiAl and their impact on the electrical parameters. The chemical species interdiffusion, in particular their distribution at HK/MG interface, is correlated to the electrodes EWF modulation. Besides, the EOT variation is related to the remote oxygen scavenging from the SiO2 interfacial layer that is always present between the Si substrate and the HK. This phenomenon induced by the Al, Ti or TiAl metals has been understood on the basis of an advanced thermodynamic study of these materials behavior with respect to oxygen including their free energy of oxide formation and oxygen solubility. Results obtained were helpful to understand the more complex case of the ternary TiAlN metal alloy directly deposited on HfO2. By simply varying the N content, this electrode defines the best compromise for a variable EWF compatible for both nMOS and pMOS with a sub-nm EOT. The thermal stability of these electrodes is shown to be limited to temperatures going from 500°C to 700°C depending on the stack considered (TiN/Al, TiN/TiAl or TiAlN).
Innovate was another aspect of our work. Therefore, we proposed alternative gate materials. Ta and Ni were studied with different configurations and alloyed with different metals on HfO2 (TaN/Ta, Ta/Ni, Ni/Ti). Here again, the thermodynamic behavior with respect to oxygen and nitrogen and the thermal stability of these innovative electrodes is evaluated to understand their different performances compared to HfO2/TiN(Al)-based gate stacks. In particular, Ni/Ti alloying is shown to be very promising for a CMOS co-integration at low thermal budget (T≤600°C) in gate last approach. |