Chapitre 3. Le TiN comme matériau de grille métallique CMOS .105
3. Réalisation de transistors CMOS en modulant la grille TiN
3.3. Extraction des paramètres grille-diélectrique à partir des C(V)
La mesure systématique de la tension de seuil et du CET sur les transistors longs
donnent des informations essentielles pour mettre au point la technologie. Cependant
ces paramètres sont liés et ils ne permettent pas d’analyser les propriétés de
l’empilement grille-diélectrique. Pour comprendre les variations observées avec
différentes grilles métalliques, nous utilisons les techniques présentées au chapitre 1
pour extraire des paramètres décorrélés Vfb et EOT, représentatifs des propriétés de la
grille métallique et du diélectrique. Les empilements que nous étudions dans cette partie
3.3 contiennent de l’oxyde de lanthane pour le NMOS, de l’aluminium et un canal SiGe
pour le PMOS. Nous comparons donc les valeurs de Vfb et EOT extraites de façon
relative pour comparer l’influence du procédé de dépôt du TiN. Les effets des additifs
aluminium et lanthane font l’objet des chapitres 4 et 5.
3.3.1. Extraction de paramètres sur PMOS
i. Prise en compte du SiGe lors de l’extraction des paramètres
La présence de SiGe sur les PMOS pose un problème d’extraction des paramètres à
partir des C(V). La méthode d’extraction utilisée repose en effet sur une résolution
numérique de l’équation de Poisson-Schrödinger, implémentée pour un canal silicium
(voir chapitre 2, 2.1.4). Pour adapter ce modèle au SiGe, il faut prendre en compte sa
structure de bande particulière pour réaliser une simulation juste du potentiel. Le SiGe
possède en effet une structure de bande (gap, électroaffinité) et une permittivité
différente de celle du silicium. Ces paramètres et les effets quantiques qui en découlent
varient fortement avec le pourcentage de germanium. La modification du modèle pour
du SiGe constitue un travail de thèse traité par ailleurs. Nous utilisons le modèle
développé pour du silicium, en nous attachant aux variations relatives de Vfb, EOT
obtenus sur des dispositifs PMOS à canal SiGe identique. Cette démarche nous permet
de comparer des empilements grille-diélectrique à partir des paramètres décorrélés
Vfb-EOT.
ii. Apport du SiGe sur les caractéristiques C(V)
Pour appréhender les différences apportées par le canal SiGe sur les caractéristiques
C(V), nous comparons sur la figure 3-14 à gauche des mesures obtenues sur canal SiGe
et Si. L’empilement grille-diélectrique est identique : il s’agit de la grille PMOS
standard, réalisée avec du TiN stœchiométrique d’épaisseur totale 100Å.
0.0E+0 5.0E-3 1.0E-2 1.5E-2 2.0E-2 2.5E-2 -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 C ( F /m ²) Vg (V) Si accu. SiGe accu. inv. -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 11 12 13 14 d V fb ( V ) EOT (Å)
canal SiGe - inv. canal SiGe - accu. canal Si
Figure 3-14 : A gauche, capacité totale de PMOS 10/10µm avec canal SiGe ou Si possédant le
même empilement grille-diélectrique. Les ajustements (traits pleins) sont réalisés avec un
modèle silicium, dont les résultats figurent à droite.
La mesure C(V) sur substrat SiGe est très différente de celle sur substrat Si. La courbe
C(V) avec SiGe est translatée horizontalement de quelques centaines de mV vers les
tensions positives. L’écart entre le régime d’inversion et d’accumulation sur SiGe (soit
Vt-Vfb) est de surcroît plus étroit que sur Si, liée au gap plus faible du SiGe. Ces
observations rejoignent celles publiées dans une autre étude
53. Au bilan le SiGe décale
la zone d’inversion de +300mV par rapport au silicium, ce qui revient à augmenter la
Sur la figure 3-14 à gauche, nous avons ajusté les courbes expérimentales par le modèle
présenté au chapitre 2. Sur substrat silicium le modèle est bien adapté, ce qui permet
d’ajuster correctement la courbe C(V) à la fois en régime d’accumulation et d’inversion.
Sur canal SiGe, la C(V) ne peut être ajustée que dans un seul des deux régimes, à cause
de la différence de gap. Cela conduit à faire deux extractions donnant deux valeurs
distinctes d’EOT et de Vfb, que nous avons reporté dans la figure 3-14 à droite.
L’incertitude sur la position des bandes et sur les effets quantiques dans le SiGe
conduisent à l’obtention de valeurs très différentes d’EOT et Vfb par rapport au substrat
silicium. Pour la suite de l’étude nous comparons uniquement les paramètres extraits sur
SiGe de façon relative, le substrat étant le même sur les différents échantillons étudiés.
iii. Analyse des résultats Vfb(EOT) obtenus en accumulation sur canal
SiGe
L’extraction la plus adaptée pour l’étude d’empilements grille-diélectrique doit être
conduite en accumulation. En effet la C(V) dans ce régime résulte des charges de
déplétion en volume du substrat. En inversion s’ajoute la charge des porteurs, localisée
à l’interface entre l’oxyde et le canal, qui dépend du dopage de surface et de la hauteur
de barrière entre les jonctions et le canal. Nous avons donc effectué les extractions de
paramètres en accumulation sur les transistors PMOS de la partie 3.2.1, fabriqués avec
les variantes de composition et d’épaisseur du TiN. Les variations relatives de Vfb entre
les différents métaux reportées sur la figure 3-15 à gauche sont identiques à celles de Vt
(figure 3-8), sauf pour le TiN Full-N2. Les variations d’EOT pour tous les métaux sont
comprises dans une plage de 0,7Å, identique à la plage de variation des CET. Seul le
TiN Full-N2 possède le CET le plus faible parmi tous les métaux et à l’inverse l’EOT
moyen le plus grand.
0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 d V fb ( V ) EOT (Å) 120Å 100Å 80Å 100Å 0,0E+0 5,0E-3 1,0E-2 1,5E-2 2,0E-2 2,5E-2 -2 -1 0 1 2 C ( F /m ²) Vg (V) FN2 simu FN2 exp Stoechio fit Stoechio exp
Figure 3-15 : A gauche, extraction des paramètres sur les empilements de type PMOS en
accumulation. A droite, ajustement des TiN Full-N2 et stœchiométrique 100Å sur PMOS à canal
SiGe.
En observant la courbe C(V) du TiN Full-N2 ci-dessus à droite, nous remarquons que la
valeur de la capacité à Vg=-1V est plus importante que pour le TiN stœchiométrique.
Cela montre bien que le faible CET obtenu pour le TiN Full-N2 provient surtout d’un
couplage diélectrique plus fort, et non d’une tension de seuil faible. Le choix de la plage
de tension [+1V ; +1,5V] utilisée pour ajuster les courbes en accumulation ne suffit pas
à observer la différence vue en inversion car les C(V) sont sensibles aux effets de
résistance série. Effectivement nous vérifions sur la figure 3-16 que le courant de fuite
en accumulation est le plus élevé sur le TiN Full-N2.
0.5 1.0 1.5 2.0 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 J g l o g (A /c m ²) à V fb + 1 V EOT (Å) Gradient Full N2
Figure 3-16 : Extraction des paramètres Jg(EOT) en accumulation sur les empilements de type
PMOS.
Les autres types de TiN ont un courant de fuite plus faible et une valeur d’EOT très
proche. Parmi eux le TiN gradient présente les meilleures caractéristiques fuite-EOT.
Nous pensons que la faible concentration d’azote à l’interface avec le high-κ du procédé
TiN gradient, limite significativement la conduction dans l’oxyde de grille.
3.3.2. Extraction de paramètres sur NMOS
L’extraction des paramètres Vfb et EOT ne pose aucun problème particulier sur les
transistors NMOS longs. Nous avons représenté ci-dessous les graphes Vfb(EOT) et
Jg(EOT) en accumulation. Nous observons que les variations relatives de Vfb
reproduisent celles de la tension de seuil observées sur la figure 3-11. Par contre, l’EOT
extrait ne présente pas les mêmes caractéristiques que celles du CET.
-0.50 -0.45 -0.40 -0.35 -0.30 -0.25 -0.20 9 10 11 12 d V fb ( V ) EOT (Å) Full N2 Poison Gradient Stoechio -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 9 10 11 12 J g l o g (A /c m ²) à V fb -1 V EOT (Å) 45Å 65Å Full N2 65Å 85Å