Thèse soutenue

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

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Auteur / Autrice : Bilel Saidi
Direction : Sylvie SchammRémy Gassilloud
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanophysique
Date : Soutenance en 2014
Etablissement(s) : Toulouse 3

Résumé

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Afin de poursuivre la miniaturisation des dispositifs CMOS, l'empilement HfO2/Métal a remplacé l'empilement SiO2/polySi. Cependant, la diffusion incontrôlée des espèces chimiques dans ces nouveaux empilements fabriqués avec un fort budget thermique compromet l'obtention des travaux de sortie (EWF) et des épaisseurs d'oxyde équivalent (EOT) définis par l'ITRS. Une solution consiste à utiliser une intégration à plus bas budget thermique. Avec cette nouvelle approche, l'objectif de ce travail de thèse était de comprendre les paramètres physiques permettant d'obtenir une EOT<1nm et des EWF permettant une co-intégration nMOS et pMOS pour des nœuds futurs CMOS 20-14 nm. En nous appuyant sur différents méthodes d'analyse physico-chimique (STEM EDX, TOF-SIMS et XPS), la distribution spatiale des éléments et leurs liaisons chimiques au sein d'empilements de taille nanométrique ont été discutées et, sur la base de considérations thermodynamiques, corrélées aux valeurs mesurées de l'EOT et EWF. Nous avons démontré pour la première fois un écart de ~0. 8eV entre une électrode TiAlNx déficitaire et riche en azote, déposée sur HfO2. Ces résultats ont été obtenus après avoir identifié les mécanismes qui contrôlent l'EWF et l'EOT dans des empilements plus simples TiN/Ti, Al et TiAl. Les grilles HfO2/TiAlNx ne sont cependant pas stables thermiquement. Nous avons alors proposé deux systèmes métalliques plus simples et plus stables utilisant des alliages TaNix et NiTix obtenus par interdiffusion dans les empilements HfO2/Ta/Ni et de HfO2/Ni/Ti. Ces structures de grilles à base de Ni apparaissent prometteuses pour une co-intégration CMOS à bas budget thermique.