Chapitre 3. Le TiN comme matériau de grille métallique CMOS .105
3. Réalisation de transistors CMOS en modulant la grille TiN
3.1. Description de la fabrication de grilles CMOS
Dans l’architecture CMOS 28nm que nous utilisons, le couple grille
métallique/diélectrique high-κ TiN/HfSiON est introduit entre le polysilicium/SiON
utilisé dans les technologies précédentes. La tension de seuil est ajustée par des additifs
lanthane et aluminium, introduits dans le TiN des grilles N et PMOS pour obtenir des
Vt faibles (voir figure 3-6). Le recuit d’activation des dopants (1050°C, 1s) est prévu
pour les faire diffuser dans l’oxyde de grille. Le dépôt du diélectrique est donc unique
sur N et PMOS (HfSiON/SiON), contrairement à la grille métallique qui est duale (TiN
et additifs Al, La). Sur le PMOS un canal épitaxié en SiGe est utilisé pour accroître la
mobilité et obtenir un gain supplémentaire sur la tension de seuil
51,52.
•SiON
•HfSiON
•Dépôt TiN
•Dépôt Al
•Dépôt TiN
•Retrait sélectif sur NMOS
•Dépôt La
•Dépôt TiN
•Silicium amorphe
•Gravure grille N et PMOS
i. Dépôts des grilles métalliques sur N et PMOS
Après avoir fait croître l’oxyde de grille HfSiON/SiON (cf chapitre 2, 4.1.3.i), nous
effectuons le dépôt de l’empilement de grille PMOS. L’aluminium est déposé entre
deux films minces de TiN. La sous-couche de TiN 10Å aide au retrait sélectif de
l’aluminium sur les zones NMOS. Le retrait sélectif est réalisé par voie humide après
une étape de photolithographie, sans laisser de résidus ni endommager le HfSiON
34.
Enfin le métal des NMOS est déposé sur les grilles N et PMOS, constitué d’une couche
de 4Å d’oxyde de lanthane recouvert de TiN. L’épaisseur totale du TiN côté PMOS est
égale à la somme de la grille du NMOS (65Å) et du premier dépôt sur les zones PMOS
(35Å).
ii. Gravure simultanée des grilles N et PMOS
Le défi de cette intégration tient dans la gravure de profils de grille simultanément sur
les N et PMOS. La gravure est mise en œuvre par voie sèche et elle doit tenir compte
des épaisseurs et de la nature des couches en présence. La surépaisseur de 35Å des
PMOS peut conduire à graver les zones source/drain des NMOS avant d’avoir terminé
la gravure des grilles PMOS. Les additifs aluminium et lanthane peuvent également
faire obstacle à la gravure des grilles si les chimies de gravure ne sont pas adaptées
30.
Le profil de gravure obtenu doit être in fine droit sur les deux types de transistors pour
garantir les performances des transistors 28nm. Cette exigence doit être validée en TEM
lorsqu’une nouvelle variante de procédé de grille est introduite. Il est trop long et trop
coûteux de réaliser cette optimisation pour tous les empilements étudiés dans cette
thèse. Nous étudions donc uniquement les dispositifs à canaux longs avec l’architecture
complète, où les variations des dimensions latérales de quelques nanomètres sont
négligeables.
3.1.2. Variantes de TiN étudiées
Les études présentées en introduction donnent des éléments importants sur le
comportement des grilles TiN selon le procédé de dépôt employé et leur épaisseur. Le
bâti à notre disposition a été présenté au chapitre 1, paragraphe 2.1.1. La particularité est
l’emploi d’un mode RF PVD, optimisé pour des épaisseurs inférieures à 20nm. Le dépôt
par pulvérisation réactive du film de titane donne la possibilité de contrôler la
composition du film TiN par les flux d’azote et d’argon. Nous avons évalué dans cette
partie 3 différents types de dépôts TiN. Chaque procédé est utilisé pour former de façon
identique les 3 couches de TiN constitutif des grilles N et PMOS. Seule l’épaisseur de la
dernière couche de 65Å, présente sur les N et PMOS, a été modifiée pour changer
l’épaisseur totale de la grille. Nous sommes limités dans l’évaluation de différents
métaux de grille par la gravure de ces matériaux. Ainsi la gravure des TiN riches en
titane n’a pas pu être optimisée finement, laissant une quantité de résidus Ti trop
importante pour poursuivre le procédé de fabrication sans contaminer les équipements
de production. Les différents types de TiN sont résumés ci-dessous :
Type Mode de dépôt Ratio Ti/N (XRF) sur 100Å déposés
Stœchiométrique Composé 1,01
Gradient Métallique à composé 0,96
Poison Composé 0,96
Full-N2 Composé, sans argon 0,86
Tableau 4 : Types de TiN évalués dans ce chapitre, déposés par pulvérisation réactive RF.
Le TiN gradient est déposé à partir d’une cible de titane pur qui est nitruré
progressivement avec un fort débit d’azote (voir chapitre 1, 4.1.2.i). Nous nous
attendons à obtenir une couche riche en titane à l’interface avec le substrat. Le XRF
sonde la quantité d’azote dans plusieurs microns de profondeur et donne une valeur
moyenne. Cette technique ne distingue donc pas le TiN gradient d’un TiN poison qui
possèdent une quantité moyenne d’azote identique, mais un profil de concentration
différent que nous allons caractériser.
i. Analyse SIMS du TiN dans son environnement chimique
Nous utilisons le SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) pour établir le profil
physico-chimique des empilements de grille. Le principe est de pulvériser la surface à
analyser et de mesurer les ions secondaires émis dans un spectromètre de masse. Il
s’agit de la technique la plus sensible à notre disposition, capable de sonder le profil
chimique de la grille dans son environnement après recuit. Nous utilisons le césium
métalliques M
+formés à partir d’une autre source argon ou oxygène. En présence de
TiN nous analysons les masses CsTi
+et CsN
+formées. Le rapport entre ces deux
masses est corrélé linéairement à la composition Ti/N. Le coefficient de corrélation
SIMS a été établi sur du TiN stœchiométrique, mesuré par RBS. Nous assumons qu’il
ne varie pas selon la composition du TiN comme c’est le cas sur d’autres composés
binaires NiSi ou SiGe. Sur des composés ternaires ou plus complexes ce rapport change
selon les éléments en présence, un calibrage est alors nécessaire. Les concentrations
relatives de titane [Ti] ou d’azote [N] sont données par la suite en supposant que ce sont
les deux seuls éléments en présence [Ti]+[N]=100%.
ii. Profil SIMS du TiN après dépôt
Dans le tableau 4 nous avons caractérisé la composition moyenne des différents
procédés de dépôts de TiN par XRF. Le profil de concentration de ces échantillons de
65Å a également été mesuré en SIMS. Ils ont été recouverts de 25Å d’aluminium pour
éviter leur oxydation et stabiliser le faisceau d’ions émis lors de l’analyse. Les interfaces
du TiN avec l’encapsulation d’aluminium et le substrat silicium ont été positionnées
respectivement là où le signal CsAl
+et CsSi
+deviennent plus importants que CsTi
+.
Seule la concentration d’azote dans le TiN et le profil d’oxygène dans l’échantillon ont
été représentés dans la figure 3-7 ci-dessous.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 40 45 50 55 60 65 70 0 250 500 750 1000 1250 1500 O x y gè ne C s O +(u. a .) C o nc e nt ra ti on N ( a t% ) Temps d'abrasion (s) Full N2 Poison Stoechio Gradient Al TiN Si [N] CsO+