e V ] m HfO2 [m 0 ]
Figure 3.25 – Paramètres tunnelm
HfO2/ϕ
HfO2relevés dans la littérature (a : [64],
b : [6], c : [65], d : [66], e : [46], f : [67], g : [29], h : [68], k : [69]).
4.1 Extraction des épaisseurs physiques
La seule connaissance de l’EOT d’un empilement bi-couche ne permet pas de
ca-ractériser précisément les épaisseurs physiques réelles de chaque matériau ainsi que
leurs permittivités respectives (cf. Equation 3.23). Seule l’utilisation de structures
nMOS différant soit par leurs épaisseurs d’IL soit par leurs épaisseurs deHfO
2per-met d’extraire précisement les permittivités et d’en déduire les épaisseurs physiques
selon la méthodologie qui est exposée dans ce paragraphe.
Nous faisons tout d’abord l’hypothèse que les épaisseurst
HfO2réelles sont égales
aux valeurs nominales données dans le Tableau 3.3. Un dépôt de type ALD est en
effet considéré conforme à la valeur demandée car déposé mono-couche atomique
par mono-couche atomique.
4. Extraction de paramètres en régime d’inversion
0 1 2 3 4 5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 t IL variable t HfO2 variable x ix viii vii vi v HfO2 = 17 0 IL = 4.7 0 Régressions linéaires (R 2 =0.999) E O T [ n m ]Epaisseurs nominales IL et HfO 2
[nm]
Figure 3.26 – Extraction de la permittivité diélectrique du HfO
2et de l’oxyde
interfacial réalisé par croissance RTO.
l’EOT de l’empilement en fonction de l’épaisseur physiquet
HfO2(Figure3.26). Une
valeur ε
HfO2= 17ε
0est obtenue, différant de la valeur théorique attendue (entre
20 et 25 selon les études [1]). La faible connaissance de ce matériau et de son
com-portement une fois intégré dans un empilement de grille souligne donc la nécessité
d’une extraction expérimentale de la permittivité, et justifie l’étude d’empilements
présentant des variantes d’épaisseur.
La même méthode appliquée aux empilementsv,vietvii(différentes épaisseurs
d’oxyde interfacial) donne une permittivité de l’oxyde interfacial ε
IL= 4,7ε
0dans
ces 3 dispositifs. Damlencourt et al. [3] ont montré que dans un empilement
high-κ, l’oxyde interfacial SiO
2pouvait présenter une sous-stœchiométrieSiO
x: l’IL est
ainsi susceptible d’avoir une permittivité se rapprochant de celle du Silicium
8, et
donc supérieure à celle duSiO
2pur. Ce comportement n’est néanmoins attendu que
dans le cas d’un oxyde interfacial ultra-mince conventionnel (entre 5 et 8Å), réalisé
durant le nettoyage chimique du substrat Silicium avant le dépôt high-κ (cas des
dispositifsviii,ixetx par exemple). Les épaisseurst
ILdes empilementsv,vietvii
ont volontairement été contrôlées par croissance thermique RTO, et présentent des
valeurs nominales comprises entre1,2et2nm. Dans ce cas, la valeur expérimentale de
la permittivité obtenue, caractéristique d’une sous-stœchiométrie des oxydes, peut
sembler suspecte.
Pour vérifier la pertinence de l’hypothèset
nominale=t
r´eelledans ce cas précis, des
observations TEM (Transmission Electron Spectroscopy : microscopie électronique
en transmission) ont été réalisées sur les dispositifs v (t
IL= 1,2nm, t
HfO2= 3nm)
et vii (t
IL= 2nm, t
HfO2= 3nm). Les 2 observations, représentées Figure 3.27,
8. On rappelle que εSi= 12ε0
t HfO2=3nm t H fO 2=3 nm tIL=1.35nm tIL=2nm Empilement v
Empilement v Empilement viiEmpilement vii
Si
Si
TiN
TiN
Figure 3.27 – Observations TEM des empilements v (épaisseurs nominales t
IL=
1,2nmett
HfO2= 3nm) et vii(épaisseurs nominales t
IL= 1,2nmett
HfO2= 3nm).
confirment le bon contrôle du dépôt ALD de l’oxydeHfO
2, dont l’épaisseur réelle est
conforme à la valeur nominale attendue. En revanche, les épaisseurs réelles d’oxyde
interfacial montrent un comportement différent selon l’épaisseur nominale
initiale-ment visée : sur l’empileinitiale-ment vii, une épaisseur t
IL= 2nm est mesurée,
conformé-ment aux attentes, alors que l’empileconformé-ment v montre une recroissance d’oxyde de
1,2nm(épaisseur visée) à environ 1,35nm (aux incertitudes de mesure près).
Le mécanisme à l’origine de cette recroissance est illustré dans la Figure 3.28:
leHfO
2joue le rôle d’une source de radicaux -OH, radicaux qui transitent dans l’IL
durant le recuit post-dépôt et oxydent la surface du substrat Silicium, ce qui conduit
à une recroissance d’oxyde [3]
9. L’épaisseur initiale d’oxyde interfacial conditionne
le transport des atomes d’oxygène : dans le cas d’un IL épais, la source d’oxygène
est trop éloignée de l’interface Si - IL, justifiant l’absence de recroissance (cas de
l’empilement vii).
Les observations TEM contredisent donc l’approximation t
IL,nominale=t
IL,r´eelleet remettent en cause la valeur ε
IL= 4,7ε
0déduite de cette hypothèse. En
considé-rant non plus les épaisseurs nominales mais celles mesurées par TEM pour
l’extrac-tion de ε
IL, une valeur égale à environ 3,8ε
0est trouvée, très proche de la valeur
standard ε
SiO2= 3,9ε
0. Dans la suite de ce chapitre, nous considérerons donc que
l’oxyde interfacial épais des empilements v,vietvii est duSiO
2“pur” et donc que
ε
IL= ε
SiO2= 3,9ε
0. Nous étendons ce résultat aux dispositifs SiO
2RTO - Poly
et SiO
2RTO - TiN pour lesquels nous considérons donc que l’EOT est égale à
l’épaisseur physique d’oxyde de Silicium (empilements i,ii,iiietiv).
Les observations TEM réalisées sur les empilements présentant une épaisseur
nominale constante t
IL= 0,8nm (empilements viii, ix etx) ont également montré
9. On notera que ce mécanisme favorise l’apparition de lacunes d’oxygène, dégradant la mobilité et augmentant le nombre de pièges dans leHfO2 [70].4. Extraction de paramètres en régime d’inversion
HfO
2IL
Groupes -OH
Oxydation Silicium :
recroissance IL
Si
Figure3.28 – Mécanisme de recroissance de l’oxyde interfacial dans un empilement
IL -HfO
2- TiN. La recroissance est d’autant plus importante que l’épaisseur initiale
d’IL est mince.
un écart entre épaisseur visée et épaisseur réelle (mesurée entre0,9et1nm). Sur ces
empilements, nous déduisons une permittivité ε
IL= 5ε
0, cohérente avec une nature
sous-stœchiométrique SiO
xde la couche interfaciale.
Les permittivités extraites (ε
HfO2= 17ε
0,ε
IL,RTO= 3,9ε
0etε
IL,chimique= 5ε
0)
et la connaissance des épaisseurs réelles du HfO
2permettent donc de déduire
pré-cisement les épaisseurs physiques d’oxyde interfacial à partir des EOT extraits par
mesures C(V
g) (cf. Equation 3.23, page 95). L’ensemble des épaisseurs physiques
utilisées par la suite pour la modélisation du courant de grille est résumé dans le
Tableau3.4.
Dispositif ε
IL(ε
0) ε
HfO2(ε
0) Epaisseur t
IL(nm) Epaisseur t
HfO2(nm)
Nominale Réelle Nominale Réelle
i 3,9 × 1,5 1,78 × ×
ii 3,9 × 2,5 2,62 × ×
iii 3,9 × 1,5 1,56 × ×
iv 3,9 × 2,5 2,61 × ×
v 3,9 17 1,2 1,36 3,0 3,0
vi 3,9 17 1,5 1,60 3,0 3,0
vii 3,9 17 2,0 2,02 3,0 3,0
viii 5 17 0,8 0,87 2,0 2,0
ix 5 17 0,8 0,90 3,0 3,0
x 5 17 0,8 0,88 4,5 4,5
Tableau3.4 – Epaisseurs physiques “réelles” des couches diélectriques caractérisées.
Dans le document
Etude de la conduction électrique dans les diélectriques à forte permittivité utilisés en microélectronique
(Page 109-112)