Intégration de la cellule A2RAM de type 3D

Dans cette partie, nous présentons les étapes de fabrication d’une cellule 3D A2RAM. De nos études des chapitres 2, 3 et 4, nous savons que le profil de dopage du bridge est primordial. Le challenge est alors de définir les bonnes conditions d’implantation du bridge associées aux recuits adéquats.

VI.1.1.

Etapes de fabrication de la cellule A2RAM 3D

Le procédé de fabrication de dispositifs A2RAM 3D repose sur une adaptation du procédé pour les nanofils du CEA-Leti [Barraud 13]. Sur la figure 6.1.a, nous rappelons les principales étapes de fabrication de transistors nanofils, et les figures 6.1.b et 6.1.c montrent les images TEM des structures nanofils standards.

Figure 6.1 : (a) Procédé de fabrication de transistor nanofils standard au CEA-Leti, image TEM d’un dispositif nanofil sur substrat SOI issu du procédé de fabrication de la figure 6.1.a

Préparation de la zone active

Dépôt de l’oxyde et l’empilement de grille face avant et préparation zone active

Dépôt d’espaceur 1 et gravure

Rehaussement des zones source et drain

Dépôt d’espaceur 2

Implantation HDD de dopants source et drain

Implantation LDD

Siliciure et back-End

Recuit d’activation de dopants source et drain (a) (b) (c) H NW = 1 1 nm

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(b) dans le sens de la longueur de la grille, et (c) dans le sens de la largeur de la grille qui met évidence la forme omega de la grille.

Ce procédé d’intégration a été modifié pour tenir compte des spécificités de la structure A2RAM, c’est-à-dire pour former le bridge entre source et drain, et contrôler son profil de dopage. Ainsi quatre nouvelles étapes seront ajoutées pour obtenir celui de la figure 6.2.

Figure 6.2 : Procédé de fabrication de structures nanofil sur substrat SOI sub-14 nm du CEA-Leti. (a) Procédé de fabrication modifié (en rouge) pour fabriquer les cellules A2RAM 3D, et (b) schémas illustratifs des étapes critiques de la fabrication de la cellule A2RAM 3D. Entre la préparation de la couche active et le dépôt de l’empilement de la grille deux étapes sont rajoutées :

• Etape (i) : la formation de la couche du bridge par une implantation d’arsenic à faible dose suivie d’un recuit d’activation. Ces étapes ont été dimensionnées par simulation TCAD dans la section 2.4.

• Etape (ii) : après la formation du bridge, une épitaxie est effectuée pour former le body. Cette étape, qui a un budget thermique non négligeable pour la diffusion des dopants a été simulée en TCAD pour évaluer son impact sur le profil du bridge (section 2.4).

Ensuite, entre les formations des deux espaceurs il y a deux nouvelles étapes :

• Etape (iii) : la gravure du body suivie d’une implantation des zones LDD (Lighly

Doped Drain) source et drain. La gravure du body a pour but de permettre un bon

contact (créer un court-circuit) entre le bridge faiblement dopé de type n (1018 _cm-3_),

et les zones source et drain aussi dopées de type n à 2.1020 _cm-3_{. La formation de LDD} Préparation de la zone active

Formation de la couche de bridge (implantation et activation des dopants) (i)

Épitaxie du body (ii) (Si et SiGe avec xGe = 30 %)

Dépôt de l’oxyde et l’empilement de grille face avant et préparation zone active

Dépôt d’espaceur 1 et gravure

Implantation LDD de source et drain (iii)

Dépôt d’espaceur 2

Croissance en dopant in-situ à basse température les zones source et drain (iv)

Gravure du body (iii)

Siliciure et back-End (a) Section transversale de la structure nanofil Vue en direction de la souce et du drain body BOX Active b BOX Active b BOX Active body BOX Active BOX Body Bridge BOX Bridge Body BOX Bridge Body Gate Gate BOX Bridge Body BOX Bridge Gate Body SiN SiN BOX Bridge Gate Body BOX Bridge Gate Epi Body Epi

(i)

(ii)

(iii)

(iv)

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permet d’assurer un dopage important à l’entrée de la grille pour maximiser le GIDL [shenck 09] donc la programmation. Son dimensionnement est présenté dans la section 2.2.

• Etape (iv) : le surélevèrent des zones source et drain par une épitaxie sélective dopée in-situ de type n à basse température. L’objectif est de remplacer l’implantation HDD

(Highly Doped Drain) des zones source et drain du procédé de fabrication standard

qui consiste à implanter une forte dose de dopants puis de les activer par un recuit haute température (1050 °C). Sachant que nous souhaitons contrôler le profil du bridge, c’est-à-dire limiter le plus possible la diffusion des dopants , il faut :

➢ Limiter l’augmentation de la température d’activation des dopants source et drain à environ 735 °C, le but étant d’éviter autant que possible la diffusion des dopants du bridge dans le body.

➢ Réussir à obtenir un fort dopage de type n de 2.1020 _cm-3 _{dans les zones source}

et drain avec une faible température de recuit.

Pour pouvoir obtenir ces résultats, nous avons utilisé l’expertise du CEA-Leti sur les procédés de fabrication à basse température utilisée pour l’intégration 3D séquentielle (CoolCubeTM_{) [Lu 16].}

A la fin du procédé de fabrication, l’objectif est d’obtenir l’empilement vertical des différentes couches représenté sur la figure 6.3. Comme on peut le voir, l’empilement de la grille est constitué d’une fine couche intermédiaire de SiO2 d’une épaisseur de 1 nm, de 1.9 nm de

HfSiON, de 5 nm de TiN (métal de la grille définissant le travail de sortie), et du poly-silicium dopé à 1020 _cm-3 _{d’une épaisseur de 50 nm comme définie dans [Barraud 13]. Le}

dimensionnement des épaisseurs du body (Tbody) et du bridge (Tbridge) sera décrit dans la

section 2.1.

Figure 6.3 : Empilement vertical de la structure A2RAM 3D.

Poly-Silicium Métal de grille Oxyde de grille SiGe/Si body Si bridge de type n (N_bridge) BOX

Dopé de type n à 10

_cm

TiN d’épaisseur 5 nm

1 nm de SiO

et 2 nm de HfO

↔ EOT = 1.2nm

T

T

Dopé (arsenic)

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