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Etat de l’art de l’utilisation des terre rares dans les grilles métalliques /

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

66

et

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

82

ou 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

x

53

.

Une autre étude sur des empilements grille diélectrique TiN/La

2

O

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

2

O

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

2

proche 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

2

O

3

/HfO

2

et HfO

2

/La

2

O

3

froids

Okamoto a étudié un empilement de high-κ composé de La

2

O

3

et 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

2

O

3

et le SiO

2

placé à son contact. Il a effectivement été montré que

la consommation du SiO

2

sous-jacent par l’oxyde de lanthane est favorable dès 400°C

87

. L’oxyde de lanthane est donc différent s’il est déposé sur le HfO

2

ou sur le SiO

2

.

L’ordre des couches n’est donc pas neutre dans le résultat. Une autre étude de

l’université de Tokyo a contourné ce problème en utilisant deux couches de HfLa

1-x

O

pauvres ou riches en lanthane ayant donc la même interface HfLa

1-x

O /LaSiO

x 88

. Les

profils de lanthane dans le diélectrique ainsi que les mesures de Vfb sont présentés dans

la figure 5-3.

Figure 5-3 : A gauche, profil de concentration de lanthane dans une couche de HfLa

1-x

O mesuré

par XPS. A droite, Vfb de capacités Au/HfLa

1-x

O/SiO

2

correspondantes.

88

Nous avons retracé les profils de concentration de lanthane des différents empilements

La

2

O

3

/HfO

2

utilisés. A droite dans la figure 5-3, nous remarquons que la tension de

bande plate mesurée sur des capacités MOS utilisant ces diélectriques prend deux

valeurs. Vfb est presque nulle lorsque la couche en contact avec le silicium est pauvre

en lanthane (cap #1 et #4). Elle vaut au contraire environ -400mV lorsque l’interface est

riche en lanthane. Cette étude prouve que seule la concentration de lanthane au contact

du SiO

2

importe sur la valeur de Vfb. Elle a permis de mettre en lumière que l’interface

high-κ/SiO

2

est l’origine des décalages de Vfb en présence de lanthane.

2.2.2. Stabilité thermique du lanthane

Copel a observé d’un empilement La

2

O

3

/HfO

2

/SiO

2

recuit de 800°C à 1000°C grâce au

MEIS (Medium Energy Ion Scattering). Cette technique de caractérisation chimique

permet d’établir le profil de concentration de lanthane dans l’empilement. L’utilisation

de l’XPS a permis dans un même temps d’établir l’évolution de la structure de bande, à

température il détecte une diffusion plus importante du lanthane jusque dans la couche

de SiO

2

. Copel observe alors par XPS un décalage du travail de sortie du substrat

uniquement lorsque l’échantillon est recuit à 1000°C. Il identifie l’origine de ce

décalage à l’interface HfO

2

/SiO

2

.

2.2.3. Conclusion

Les décalages de tension de bande plate produits par l’oxyde de lanthane ont été étudiés

à basse température sur des couches doubles de high-κ ou bien à plus haute température

par des caractérisations physico-chimiques avancées. Dans les deux cas, les chercheurs

attribuent l’origine du décalage de tension de bande plate à la quantité de lanthane à

l’interface avec le SiO

2

, quelle que soit la grille métallique utilisée. Aujourd’hui les

modèles physiques visant à décrire le phénomène de dipôle à cette interface ne sont

cependant pas tous unanimes.

3. Caractérisation des transistors MOS selon la dose de