Etude de caractérisation de matériaux diélectriques de grille à forte permittivité pour les technologies CMOS ultimes

• Auteur / Autrice : Youjean Chang
• Direction : Frédérique Ducroquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l'électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS (électronique)

Microélectronique

Permittivité

Diélectriques

Résumé

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne l'étude de nouveaux matériaux diélectriques à forte permittivité ("high-k") en vue de leur intégration comme isolant de grille dans les technologies CMOS ultimes. En effet, la miniaturisation agressive des dispositifs microélectroniques se heurte aujourd'hui aux limites du SiO2 et imposera à échéance de 2 ou 3 ans, son remplacement par un isolant à constante diélectrique plus élevée, ce qui constitue une véritable rupture technologique. Parmi les matériaux candidats les plus prometteurs, Al2O3 ("modeste-k"), HfO2 ("high-k") et SrTiO3 ("very high-k"), représentent des solutions potentielles à respectivement court, moyen et long terme. Le principal enjeu de cette intégration est d'atteindre des épaisseurs équivalentes d'oxyde (EOT) inférieures à 1 nm tout en maintenant des courants de fuite acceptables pour les applications envisagées. Les points bloquants se situent dans la comptabilité technologique de ces matériaux, leur stabilité thermodynamique, la maîtrise de la couche interfaciale et sa qualité électrique. Les diélectriques en film mince étudiés dans ce travail ont été élaborés par deux techniques de dépôt de type industriel, les dépôts chimiques en phase vapeur par couche atomique (ALD) pour Al2O3 et HfO2, ou aux organo-métalliques (MOCVD) à injection, pour SrTiO3. Nous mettons en évidence la très bonne stabilité thermique de Al2O3, qui conserve un caractère amorphe pour des températures de recuits supérieures à 800ʿC. Une couche de transition, principalement constituée de SiO2 ou (et) de silicate, est observée à l'interface avec le substrat de Si. Celle-ci se forme pendant le dépôt et les traitements thermiques ultérieurs et dépend fortement de la préparation du substrat avant dépôt. Un comportement similaire est observé pour HfO2. Nous montrons également que les propriétés électriques de ces matériaux (constante diélectrique, EOT, tension de bande plate, charges dans l'oxyde, densité d'états d'interface) évoluent en fonction de l'épaisseur du film diélectrique, de la préparation de surface, ou encore des conditions de recuits. A EOT comparables, nous obtenons des courants de fuite inférieurs à SiO2 pour les trois types de matériaux. L'analyse détaillée des paramètres électriques montrent que les principaux challenges à relever résident dans la maîtrise de la couche interfaciale et dans la réduction des charges et états d'interface qui s'avère être actuellement l'une des principales sources de dégradation de la mobilité.

This thesis presented the study of new gate dielectric materials with high permittivity ("high-k") for their integration into gate insulator of ultimate CMOS technology. Indeed, the aggressive miniaturization of the devices micro-electronics comes up today against the limits of SiO2 and will impose in the term of 2 or 3 years, its replacement by an insulator with higher permittivity, which constitutes a true technological rupture. Among the materials the most promising candidates, Al2O3 ("modeste–k"), HfO2 ("high-k") and SrTiO3 ("very high-k") represent potential solutions with respectively short, medium and long term. The principal problem of this integration is to reach equivalent oxide thickness (EOT) lower than 1 nm while maintaining leakage currents acceptable for the applications considered. The blocking points are in the technological compatibility of these materials, their thermodynamic stability, the control of the interfacial layer and its electrical properties. Thin dielectric films studied in this work has been deposited by two industrial techniques, atomic layer chemical vapour deposition (ALD) for Al2O3 and HfO2 or liquid injection metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) for SrTiO3. We proved the very good thermal stability of Al2O3 which preserves an amorphous character up to annealing temperature higher to 800°C. A transition layer, mainly made up of SiO2 or (and) silicate, is observed at the interface between Al2O3 and Si. This layer is formed during the deposition and thermal treatments after deposition and it depends strongly on the preparation of the substrate before deposition. A similar behavior is observed for HfO2. We also show that the electrical properties of these materials (dielectric constant, EOT, flat band voltage, charges in oxide, interface density state) change in function of dielectric film thickness, surface preparation, or of annealing conditions. With comparable EOT, we obtain leakage currents lower than SiO2 for the three types of materials. The detailed analysis of the electrical parameters show that the principal challenges lie in the control of the interfacial layer and the reduction of the charges and interface state density which are proved to be currently one of the principal sources of mobility degradation.