Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Thèse Bilel SAIDI

Thèse Bilel SAIDI

Compréhension de la modulation du travail de sortie de métaux de grilles pour l’intégration à bas budget thermique du CMOS 20-14 nm.

Soutenance vendredi 21 novembre à 14h
pour l’obtention du doctorat de l’Université de Toulouse, spécialité Nanophysique

CNRS Grenoble Bâtiment administratif - salle de séminaires - Tour A - 2e étage 25, rue des Martyrs – BP 166, 38042 GRENOBLE CEDEX 9

 

Composition du jury

Mme Catherine DUBOURDIEU - DR CNRS - INL - Lyon - Rapporteur

M. Christophe VALLEE - Professeur UJF - LTM - Grenoble - Rapporteur

Mme Elisabeth BLANQUET DR CNRS - SIMAP - Grenoble - Examinateur

M. Frédéric MORANCHO Professeur UPS - LAAS - Toulouse - Examinateur

 

Mme Sylvie SCHAMM-CHARDON - DR CNRS - CEMES - Toulouse - Directeur de thèse

M. Remy GASSILLOUD - Docteur-Ingénieur - CEA-Leti - Encadrant de thèse

M. Pierre CAUBET - Ingénieur - STMicroelectronics - Co-encadrant

M. Daniel BENSAHEL - Conseiller Scientifique - CNRS-INSIS - Co-encadrant

 

Résumé

Pour continuer la miniaturisation, l’industrie de la microélectronique a choisi de remplacer l’empilement de grille historique SiO2/polySi par le couple HfO2/métal depuis le nœud technologique 45 nm. Cependant, à cause de l’utilisation de schémas d’intégration à fort budget thermique, la diffusion incontrôlée des espèces chimiques dans ces nouveaux empilements compromet l’obtention des paramètres électriques adaptés au cahier des charges de l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), en particulier le travail de sortie effectif (EWF) et l’épaisseur équivalente d’oxyde (EOT). Une option pour minimiser cet effet consiste à utiliser un schéma d’intégration associé à un bas budget thermique (≤400°C).

Avec cette nouvelle approche, l’objectif de ce travail de thèse était de proposer puis d’étudier des métaux qui permettraient d’obtenir à la fois une EOT subnanométrique et un EWF compatible pour une co-intégration nMOS (4.1-4.4 eV) et pMOS (5.1-4.8 eV) adaptés aux futurs nœuds technologiques 20-14 nm. Pour atteindre ce but, nous avons décidé de déterminer les mécanismes physico-chimiques qui contrôlent l’EWF et l’EOT des empilements de grille choisis. Nous nous sommes appuyés sur une étude systématique de la distribution élémentaire et de la liaison chimique au sein de ces empilements de taille nanométrique via des analyses aux échelles locales HRTEM/EDX et mésoscopiques XPS (ToF-SIMS). Cette approche couplée à des considérations thermodynamiques a permis de comprendre et d’interpréter nos mesures électriques (EWF, EOT) et d’aller vers des solutions innovantes.

L’électrode TiAlNx déposée directement sur HfO2 s’est révélée prometteuse. En modulant le taux d’azote dans la couche, nous avons démontré pour la première fois un écart de 0.8eV entre une électrode TiAlNx<1 déficitaire en N (4.2 eV) et une électrode TiAlNx>1 riche en N (5.0 eV) avec une EOT subnanométrique. Ces résultats ont été obtenus après avoir compris comment l’azote et l’oxygène étaient redistribués au sein des empilements. En particulier, leur solubilité solide, élevée dans le Ti et quasi nulle dans l’Al, permet de rendre compte des mécanismes de réduction à distance de l’épaisseur de la couche de silice interfaciale (EOT) et des mécanismes de formation d’un métal TiAlNx de caractère TiN (EWF élevé) ou riche en Ti (faible EWF).

Bien que le métal TiAlNx soit optimisé pour une utilisation duale nMOS et pMOS, il n’est pas stable thermiquement pour pouvoir subir des recuits post-fabrication. Nous avons alors proposé deux systèmes plus simples et stable jusqu’à 500°C. Il s’agit d’alliages métalliques obtenus par interdiffusion de deux métaux simples. Ils utilisent tous les deux le Ni, métal de WF élevé et peu réactif vis-à-vis de l’oxygène de la couche interfaciale. L’alliage TaNix confère un caractère pMOS à l’empilement, complémentaire du caractère nMOS de HfO2/Ta (4,75-4,35eV). L’alliage NiTix confère un caractère nMOS à l’empilement, complémentaire du caractère pMOS de HfO2/Ni (4,2-5,0eV). Les valeurs de EWF mesurées montrent que ces alliages sont prometteurs pour les technologies MOSFET actuelles.