Modulation du travail de sortie effectif par l’ajout d’aluminium

Nous évaluons ici la dépendance des Vt des transistors PMOS à architecture complète

vis-à-vis de la dose d’aluminium introduite dans la grille. Nous analysons ces décalages

d’un point de vue des paramètres de l’empilement grille-diélectrique. Ceci nous

permettra de les comparer au travail de sortie effectif de ces différentes grilles, obtenu

avec une architecture simplifiée sur substrat de silicium.

3.1.1. Caractérisation de transistors PMOS à canal SiGe

i. Rappel de l’architecture utilisée

L’architecture complète comprend toutes les étapes

standards de la technologie 28nm jusqu’au premier niveau

d’interconnexion (voir la partie 4.1.1 au chapitre 2, et 3.1.1.

au chapitre 3). Dans la grille métallique, l’aluminium est

introduit entre deux couches de TiN de 10 et 25Å dont la

plus fine est au contact du HfSiON 20Å/SiON 10Å. Nous

insistons sur le fait que l’aluminium est introduit sous forme

métallique entre le TiN, sans rompre le vide secondaire

Figure 4-9 : Grille PMOS

entre les dépôts. Cet empilement subit une exposition à l’air avant d’être recouvert par

la grille métallique du NMOS, comprenant 4Å d’oxyde de lanthane et 65Å de TiN. La

grille du PMOS est représentée dans la figure 4-9 ci-contre avec son canal SiGe. La

grille métallique mesure environ 100Å et l’aluminium en son sein est séparé du HfSiON

par une couche de TiN 10Å. Dans la suite du chapitre, nous ferons varier l’épaisseur

d’aluminium entre 0 et 8Å. La gravure de cette épaisseur a nécessité un ajustement mais

ne pose pas de problèmes particuliers.

ii. Evolution de la tension de seuil du PMOS avec l’épaisseur

d’aluminium

Les tensions de seuil sont mesurées sur les transistors longs 10/10µm. Nous n’étudions

pas la mesure sur les dimensions plus petites qui sont au moment de l’étude immatures

en termes du contrôle du profil de grille et de l’ingénierie des jonctions. Les résultats de

la tension de seuil en fonction de la dose d’aluminium introduite apparaissent dans la

figure 4-10.

Figure 4-10 : Tension de seuil de transistors PMOS 10/10µm en fonction de l’épaisseur

d’aluminium dans la grille.

La tension de seuil présente deux régimes de variation en fonction de l’épaisseur

d’aluminium ajoutée. Le premier régime est l’augmentation de Vt jusqu’à +50mV de 0

à 4Å d’aluminium introduit. En comparaison avec les travaux précédemment publiés, le

bénéfice observé est nettement inférieur à ce qui a été vu sur une architecture similaire

(+110mV

⁵⁴

).

de Vt de telle amplitude est une première dans la littérature, en contradiction avec la

formation supposée d’un dipôle de type P à l’interface HfSiON/SiON.

iii. Etude des paramètres grille-diélectrique

Pour analyser ces variations, nous avons effectué des extractions Vfb(EOT) à partir de

mesures capacitives sur les mêmes dispositifs PMOS 10/10µm à canal SiGe. Du fait du

SiGe, l’extraction se heurte à nouveau aux limites du modèle développé pour un

substrat silicium (évoquées dans la partie 3.3.1 du chapitre 3). Nous représentons dans

la figure 4-11 les Vfb obtenus en ajustant les C(V) en accumulation. Les valeurs sont

comparées à la tension de bande plate d’un empilement de TiN stœchiométrique 100Å

sans aluminium.

Figure 4-11 : Vfb relatif en fonction de l’EOT, extrait en accumulation sur PMOS 10/10µm à

canal SiGe pour différentes épaisseurs d’aluminium dans la grille.

Les décalages de tension de bande plate en fonction de l’épaisseur d’aluminium

présentent la même amplitude que celle des tensions de seuil. L’évolution de la tension

de bande plate s’infléchit à partir de 4Å d’aluminium déposé. Cela a également été

observé dans un empilement TiN/Al/HfO

2 ⁷⁰

. Dans cette publication, un décalage

maximal d’environ +250mV est observé pour 6Å d’aluminium introduit. Le décalage

pour les épaisseurs d’aluminium supérieures reste positif (par exemple +100mV pour

8Å), contrairement à ce que nous montrons ici.

Nous observons une diminution de l’EOT, selon l’épaisseur d’aluminium introduite,

jusqu’à -0,7Å avec 8Å d’aluminium. Ce résultat n’est pas surprenant, car il a été montré

que l’introduction d’espèces métalliques oxydantes (Ti, Al) est capable de consommer

l’oxyde interfacial et permet d’atteindre des EOT inférieures à 1nm

^71,72

.La diminution

simultanée de l’EOT et de Vfb rappelle le phénomène de roll-off Vfb(EOT) présenté

dans le paragraphe 2.1.1.ii. Pour parvenir à identifier la cause de l’inflexion de la

tension de bande plate (charge d’oxyde, travail de sortie, dipôles, roll-off), nous

analysons le travail de sortie effectif puis le roll-off Vfb(EOT) dans les deux parties

suivantes.

3.1.2. Caractérisation du travail de sortie effectif par l’ajout

d’aluminium

Pour mesurer le travail de sortie des grilles en fonction de l’épaisseur d’aluminium

introduite, nous utilisons une architecture simplifiée avec un seul niveau de masque,

tout en intégrant un biseau d’oxyde de grille (voir réalisation au chapitre 2, 4.2.1). Les

extractions Vfb(EOT) sont représentées dans la figure 4-12 à gauche, pour une plage

d’EOT supérieure à 25Å. Les caractéristiques sont linéaires, témoignant de l’absence de

charge dans le volume du diélectrique de grille. En dessous de 25Å nous observons un

roll-off, qui sera rapporté et commenté dans la section suivante 1603.1.3.

EOT Å

-150mV

+50mV

Figure 4-12 : Vfb extrait selon l’épaisseur d’aluminium introduite : à gauche, en fonction de

l’EOT, à droite extrapolation linéaire à EOT nul. Dispositifs NMOS 100x100µm.

Les caractéristiques Vfb(EOT) représentées sont pratiquement parallèles. Entre 0 à 6Å

d’aluminium introduit la densité de charges à l’interface SiON/Si varie donc peu entre 1

à 2x10

¹¹

C/cm². L’introduction de 8Å d’aluminium conduit à la plus grande dispersion

de Vfb. La cause est la dégradation du courant de fuite de grille, qui conduit aussi à une

Vfb(EOT) ne partagent pas la même ordonnée à EOT nul. Les variations proviennent

donc du travail de sortie effectif et non d’un effet de charge.

L’extrapolation du travail de sortie effectif à EOT nul est tracée dans la figure 4-12

ci-dessus à droite. Cette mesure représente la somme du travail de sortie au vide de la

grille métallique et du dipôle HfSiON/SiON. Les décalages de travail de sortie effectif

extraits ici sur biseau d’oxyde sont analogues à ceux observés sur la tension de bande

plate ou de seuil des transistors PMOS complets (section 3.1.1). Les EOT des deux

types de dispositifs sont cependant différents : il convient de prendre en compte le

roll-off Vfb(EOT) pour une comparaison approfondie.

3.1.3. Caractérisation du roll-off Vfb(EOT)

La figure 4-13 ci-dessous comporte toutes les extractions Vfb(EOT) réalisées sur biseau

d’oxyde SiON. Nous observons globalement une décroissance linéaire de la tension de

bande plate pour les EOT inférieurs à 25Å. Les caractéristiques C(V) de l’échantillon

8Å sont trop déformées pour réaliser une extraction fiable en dessous de 35Å d’EOT.

Pour tous les autres échantillons, la pente du roll-off est similaire. Ainsi on notera que

les valeurs de Vfb pour 4Å d’aluminium sont supérieures à 0 et 6Å. Il est clair que

l’aluminium n’a pas d’effet significatif sur l’amplitude du roll-off dans la relation

Vfb-EOT. Nous vérifions donc que la dépendance de Vfb avec l’épaisseur d’aluminium

mesurée sur les transistors à EOT ~12Å n’est pas due au phénomène de roll-off.

-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0 20 40 60 d V fb V EOT Å 0Å 2Å 4Å 6Å 8Å PMOS

Figure 4-13 : Comparaison entre l’extraction Vfb(EOT) sur biseau d’oxyde et sur lot à

architecture complète (points entourés).

Dans la section 3.3.1 du chapitre 3, nous avons vu que l’extraction de Vfb en

accumulation d’un même empilement grille-diélectrique sur canal SiGe et Si conduit à

une différence de plusieurs centaines de mV. Nous avons retiré cette différence sur les

valeurs extraites sur canal SiGe et reporté les résultats obtenus sur transistors PMOS à

canal SiGe dans la figure 4-13. Ce décalage est dû à l’emploi d’un modèle inadapté, lié

au seul substrat SiGe. Nous supposons qu’il est le même quelle que soit l’épaisseur

d’aluminium déposé. Avec les approximations faites, les tensions de bande plate

obtenues dans l’architecture à canal SiGe sont dans la continuité du roll-off Vfb(EOT)

obtenus sur dispositifs à biseau d’oxyde et canal silicium.

3.1.4. Conclusion

Nous avons réalisé différents transistors PMOS à EOT nominal ~12Å, en introduisant

diverses épaisseurs d’aluminium métallique (0-8Å) dans la grille TiN. La tension de

seuil et de bande plate sont augmentées au maximum de 50mV pour 4Å et elles

diminuent de 100mV aux épaisseurs supérieures. Nous avons identifié grâce au biseau

d’oxyde les différentes contributions qui concourent à ce résultat.

Comme nous avons vu au chapitre 2, la tension de bande plate se décompose en travail

de sortie au vide, charges dans le diélectrique et dipôles à l’interface HfSiON/SiON. Sur

les EOT proches du nanomètre, Vfb est de plus diminuée par un phénomène de roll-off

supplémentaire. Nous avons identifié que ce phénomène de roll-off est le même pour

tous les échantillons.

En dehors de la zone de roll-off, l’exploitation des dépendances linéaires Vfb (EOT)

nous a permis de distinguer l’effet des charges et du travail de sortie effectif. Le travail

de sortie effectif obtenu comprend le travail de sortie au vide et les dipôles d’interface.

Ses variations avec l’épaisseur d’aluminium correspondent à celles mesurées aux EOT

nominaux.

Nous allons maintenant identifier les conséquences physiques de l’introduction

d’aluminium sur le travail de sortie au vide et sur les dipôles d’interface.

3.2. Origine de la réversibilité du décalage introduit par

Dans le document Elaboration et caractérisation des grilles métalliques pour les technologiesCMOS 32 / 28 nm à base de diélectrique haute permittivité (Page 157-163)