Etude d’électrodes métalliques à base de tungstène, préparées par MOCVD, pour empilement de grille CMOS de technologie sub–65 nm

Study of tungsten-based electrodes, deposited by MOCVD, for CMOS gate stack application beyond 65 nm technological node

• Auteur / Autrice : Stéphane Allegret
• Direction : Guy Hollinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’Electronique Intégrée
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

MOS (électronique)

MOS complémentaires

Résumé

La réduction drastique et continue des dimensions des transistors MOS lors de ces trente dernières années a permis une véritable révolution dans le traitement de l’information. Cependant, afin de perpétuer cette tendance, la miniaturisation des dispositifs n’est plus suffisante et le remplacement de certains des matériaux constituant les transistors MOS est une des solutions actuellement envisagées pour y remédier. Les travaux présentés ici, portant sur l’étude d’électrodes métalliques pour remplacer les électrodes de grille usuelles en silicium poly-cristallin, s’inscrivent dans ce cadre. Après avoir présenté les intérêts et enjeux des électrodes de grille métalliques pour les dispositifs CMOS, nous exposons les motivations qui nous ont conduit à étudier des électrodes à base de tungstène préparées par MOCVD. Les propriétés de films minces de tungstène sont ensuite examinées. La compatibilité de ces électrodes est évaluée avec différents diélectriques de grille et les résultats électriques obtenus sont corrélés avec les propriétés physiques des modules de grille élaborés. La faisabilité et l’intérêt d’alliages de tungstène de type nitrure puis de type siliciure, préparés par MOCVD, sont finalement discutés. La croissance de ces films est étudiée en fonction de diverses conditions expérimentales et leurs propriétés électriques sont déterminées. Nous avons ainsi mis en évidence que la croissance des films de nitrure de tungstène dépend de la nature du diélectrique de grille sous-jacent. L’intérêt d’utiliser un précurseur organométallique pour préparer des électrodes en siliciure de tungstène, inertes vis-à-vis du diélectrique de grille, est également démontré.

The aggressive and continuous down-scaling of MOS transistors dimensions over the thirty last years allowed a significant revolution in information processing. However, in order to maintain this trend, shrinking of devices dimensions is no more sufficient enough and replacement of some MOS transistors materials is one of the alternative ways currently under study to solve this issue. In this work, tungsten-based electrodes have been studied to replace conventional poly-silicon gate electrodes. After a review of the interests and challenges of metal gate electrodes for CMOS devices purpose, we explain our motivations to study tungsten-based electrodes deposited by MOCVD. Properties of thin tungsten films are then investigated. Compatibility of these tungsten electrodes is evaluated with different gate dielectrics and electrical results are correlated with gate stacks physical properties. Feasibility and interest of tungsten alloys, nitride and silicide, deposited by MOCVD, are finally discussed. Growth of these films is investigated varying experimental conditions and their electrical properties are determined. Thus, we evidenced that tungsten nitride growth depends on the nature of the underlying gate dielectric. The interest of metal-organic precursor to deposit tungsten silicide electrodes, which do not damage gate dielectric, is also demonstrated.