Caractérisation physico-chimique front-end : canal-diélectrique-métal

Physical and chemical characterization in front-end : chanel-dielectric-metal

• Auteur / Autrice : Clément Gaumer
• Direction : Bernard Drévillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

La miniaturisation des dispositifs MOSFET au-delà du nœud technologique 32 nm requiert l'utilisation d'un oxyde à forte permittivité (high-k), associé à une électrode de grille métallique. Côté high-k, les oxydes à base d'hafnium constituent la meilleure option. Côté métal, les nitrures de titane et de tantale sont pressentis. Ce travail porte sur la 1 caractérisation des interdiffusions dans des empilements à grille TiN et TaN sur HfOz, élaborés selon le schéma i d'intégration Gate First. Nous montrons que le dépôt du métal nitruré provoque une diffusion d'azote dans le EfOz i et le SiOz piédestal. Les forts budgets thermiques associés au dépôt du poly-Si et au recuit d'activation des dopants induisent une diffusion d'oxygène et amplifient la quantité d'azote dans le SiOz. La quantité d'atomes diffusant est plus importante pour un métal épais. Ceci explique la dégradation de l'EOT et de la mobilité des porteurs pour les 1 dispositifs comportant des grilles plus épaisses. Enfin, la nitruration du Hf Oz par plasma permet de montrer que les défauts dans le high-k agissent comme des pièges à atomes diffusant lors de l'élaboration du module de grille.

For the sub-32 nm technological nodes, a high dielectric constant oxide (high-k) and a metal gate electrode have to be implemented in MOSFET devices. Hf-based oxides are identified as the best option for the high-k. Titanium and tantalum nitrides are the mûst prûmising metals. This work focuses on the characterization of oxygen and nitrogen interdiffusions in gate stacks elaborated in the Gate First approach, containing TiN or TaN metal gates on HfOz. We show that metal gate deposition using ALD or A VD induces nitrogen diffusion to hafnia and the pedestal silicon oxide. Due to their high thermal budget, the poly-Si deposition and the spike anneal at 1050°C for dopant activation both give rise to oxygen diffusion and increase the amount of nitrogen in the pedestal 8iOz. The amount of atoms that diffuse at each step increase with the metal thickness, which expIrons the EOT and mobility degradations observed for devices with thicker metal electrodes. Finally, studying agate stack where Hf Oz has been plasma nitrided enables to demonstrate that defects initiaUy present in the high-k layer behave like traps for species diffusing during the gate electrode elaboration.