Chapitre 5. Ajout d’oxyde de lanthane dans une grille TiN NMOS
2. Etat de l’art de l’utilisation des terre rares dans les grilles métalliques /
L’oxyde de lanthane a été étudié comme un high-κ potentiel depuis le début des années
2000 à cause de sa constante diélectrique (k~20). Lorsqu’il est utilisé comme oxyde de
grille, la tension de bande plate mesurée est décalée de plusieurs centaines de mV par
rapport au SiO
2 79. L’oxyde de lanthane est donc aujourd’hui largement utilisé pour
réaliser des transistors NMOS gate-first à faible tension de seuil. Pour ce faire, il est
introduit entre une grille TiN et un diélectrique à base d’hafnium. L’ajustement de la
tension de seuil dépend alors de la diffusion de lanthane à travers le high-κ à base
d’hafnium
80. Nous utilisons ce même principe pour les NMOS 28nm. Nous rappelons
dans une première partie quelle est l’influence connue de l’oxyde de lanthane sur les
caractéristiques électriques des transistors. Puis, nous présentons les causes identifiées
expliquant la large modification de tension de bande plate produite par l’oxyde de
lanthane.
2.1. Emploi de l’oxyde de lanthane pour créer une grille NMOS
2.1.1. Effet sur Vt et sur la mobilité
Toutes les études présentées ici sont réalisées sur des transistors NMOS gate-first, dont
l’EOT est proche de 1nm. Les empilements utilisés comprennent de l’oxyde de lanthane
entre la grille métallique et le diélectrique de grille à base d’hafnium. Une encapsulation
de lanthane de 1nm déposée par épitaxie par jet moléculaire (EJM) produit une
diminution de 400 à 500mV de la tension de seuil dans un empilement TaN/HfSiO
66et
TiN/HfO
2 80. Dans ces deux études l’EOT augmente de moins de 1Å, démontrant que
l’oxyde de lanthane possède une forte constante diélectrique. La mobilité des électrons
est peu affectée par la présence de lanthane dans le diélectrique, la dégradation est
limitée à 10% à 1MV/cm. D’autres études ont montré que l’oxyde de lanthane peut
induire une dégradation plus importante, de l’ordre de 40%
81. L’ajustement de la
tension de seuil avec de l’oxyde de lanthane n’est donc pas sans risque sur les propriétés
de l’empilement grille-diélectrique.
Les fortes diminutions de tension de seuil avec des couches d’oxyde de lanthane ultra
minces ont été également observées avec un dépôt PVD
82ou bien ALD
83. Le contrôle
précis de la quantité de matière déposée par ALD a permis à Kamiyama d’évaluer
systématiquement son effet de 0 à 8Å, inséré dans un empilement TaSiN/HfSiON. Le
décalage de la tension de bande plate est du même ordre que le décalage de Vt
mentionné précédemment. Nous voyons dans la figure 5-1 que ce décalage s’accroît de
façon quadratique avec la quantité de lanthane déposée. Cet effet est indépendant de la
teneur en silicium, exprimée en pourcentage par le ratio Hf/Hf+Si.
Figure 5-1 : Tension de bande plate extraite en fonction du nombre de cycles ALD de lanthane,
déposé sur du HfSiON. L’effet de la dose de lanthane est évalué à gauche sur Vfb en fonction du
ratio Hf/Hf+Si
83, et à droite en fonction de l’épaisseur de HfSiO
x53
.
Une autre étude sur des empilements grille diélectrique TiN/La
2O
3/HfSiON montre que
l’effet de l’oxyde de lanthane est plus important lorsque l’épaisseur du high-κ
sous-jacent est réduite (voir ci-dessus à droite)
53. Ceci est cohérent avec le mécanisme de
diffusion du lanthane envisagé par Narayanan, que nous clarifions dans la partie
suivante.
Figure 5-2 : A gauche, caractéristiques Id(Vg) et Ig(Vg) obtenues avec et sans lanthane. A
droite, évolution de l’EOT en fonction de la quantité de lanthane déposée
83.
Kamiyama a également observé une amélioration significative du courant de fuite
lorsqu’il ajoute 8Å de La
2O
3(voir figure 5-2 à gauche). Ce gain en courant de fuite est
obtenu pour un EOT plus faible de 1Å. La présence de lanthane uniquement dans le
HfSiON pourrait en partie expliquer une telle diminution d’EOT. Un composé mixte de
HfLaO possède en effet une constante diélectrique proche du HfO
2 84, supérieure ou
égale à celle du HfSiON. Kamiyama observe la diffusion du lanthane dans les deux
couches de diélectrique en SIMS et en TEM
85. Il conclut ainsi que l’oxyde de lanthane
accroît à la fois la constante diélectrique du HfSiO et du SiO
2. Il a montré que pour ses
dispositifs, la présence de lanthane dans le SiO
2proche du canal, n’a aucune incidence
sur la mobilité effective des électrons.
2.2. Origine du dipôle créé par l’oxyde de lanthane
2.2.1. Etude sur des empilements La
2O
3/HfO
2et HfO
2/La
2O
3froids
Okamoto a étudié un empilement de high-κ composé de La
2O
3et de HfO
2. Il espère
identifier les paramètres qui influencent la tension de bande plate de cet empilement en
modifiant les épaisseurs et l’ordre de couches
86. Cette étude est réalisée à faible budget
thermique pour éviter l’inter diffusion des espèces. Okamoto précise que lorsque
l’empilement subit seulement le recuit final à 420°C, une couche de silicate de lanthane
se forme entre le La
2O
3et le SiO
2placé à son contact. Il a effectivement été montré que
la consommation du SiO
2sous-jacent par l’oxyde de lanthane est favorable dès 400°C
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