Passivation par deutérium

Un recuit aux alentours de 400°C sous une ambiance N2/H2 est généralement effectué afin de

passiver les liaisons pendantes à l’interface SiO2/Si et réduire la densité d’états d’interface [Yeow75].

L’utilisation de deutérium, isotope plus lourd que l’hydrogène, permet de former des liaisons plus stables et mène à une meilleure passivation des Dit [Cheng01]. Le deutérium étant plus lourd, un recuit

à forte pression est nécessaire afin de pouvoir faire diffuser l’atome jusqu’à l’interface SiO2/Si. Si

l’utilisation du recuit deutérium a été largement démontrée, étudiée et utilisée sur des technologies avancées, nous allons ici évaluer son utilisation dans une intégration à bas budget thermique.

La passivation par N2/H2 a donc été remplacé par un recuit deutérium sous forte pression (HPD2 –

High Pressure Deuterium) sur deux variantes d'empilement de grille, dans un premier temps avec un

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Figure 4.24 : a) Process flow, b) Jg vs EOT, c) ΔVmidgap vs EOT, d) Dit et e) ΔVFB vs EOX de capacités MOS avec

passivation par FGA ou par recuit HPD2.

La Figure 4.24d montre comme attendu une nette réduction de la densité d'états d'interface de l'ordre d'une décade quelle que soit la variante (avec ou sans nitruration du HfO2). Cette réduction de

Dit est accompagnée d'un décalage de la tension de bande plate d'environ 50meV vers des valeurs

négatives dans les deux cas (Figure 4.24c) et qui peut soit indiquer un effet du deutérium sur le travail de sortie du TiN, soit l’apparition d’une charge nette positive dans la grille. Dans le dernier cas, il peut s’agir par exemple de la création de pièges de trous proches de la bande de valence, ou bien de la passivation de défauts accepteurs proches de la bande de conduction. En revanche, la Figure 4.24b ne montre aucune variation de l'EOT ni du courant de fuite avec le recuit HPD2. Enfin, malgré la formation de liaisons Si-D à l’interface SiO2/Si censées être plus stables, la fiabilité des MOSCAPs n’a pas été

améliorée (Figure 4.24e).

Dans un second temps, la quantité de deutérium incorporée a été augmentée en répétant l'étape de recuit HPD2 plusieurs fois, cette fois avec un budget thermique intermédiaire de 525°C 5h (Figure 4.25b).

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Figure 4.25 : a) Process flow, b) Jg vs EOT, c) ΔVmidgap vs EOT, d) Dit et e) ΔVFB vs EOX de capacités MOS avec des

variantes de recuit HPD2.

On remarque cette fois une diminution de l'EOT associée à une augmentation du courant de fuite selon une pente de -1.2Å/dec avec la répétition du nombre de recuit HPD2. Cette pente est identique à celle observée sur la Figure 4.15b où le recuit DSA à 1100°C a entraîné une diminution de l’épaisseur du HfO2. Ceci peut alors indiquer soit un effet réducteur du deutérium sur l'épaisseur physique du high-

k, soit une densification de la couche liée à l'utilisation d'une pression importante lors du recuit. On note également un décalage négatif de la tension de bande plate avec la répétition du recuit HPD2, bien que ce décalage semble saturer au bout de la troisième occurrence (Figure 4.25c). L’effet de roll- off ne devrait pas contribuer à cette variation, celui-ci étant essentiellement lié à un scaling du SiO2 et

non au HfO2 [Charbonnier10]. Par ailleurs, la Figure 4.25d montre que la passivation de l'interface

SiO2/Si semble également stagner à partir du troisième recuit HPD2, avec de plus une valeur absolue

après un recuit 525°C 5h (Dit~2E_11cm-2_.eV-1_{) supérieure au cas avec un budget thermique de 600°C}

1min (Dit~3E_10cm-2_.eV-1_{). Ceci peut indiquer une plus grande difficulté à diffuser le deutérium à travers}

l’empilement jusqu’à l’interface SiO2/Si lorsque certaines couches (e.g. HfO2) sont plus denses. Une

meilleure interface pourrait donc éventuellement être obtenue si le recuit forming gas ou deutérium était effectué plus tôt (ce qui n’a pas pu être fait ici pour des raisons de niveau de contamination de l’équipement) mais pose le risque d’une dépassivation lors d’un recuit subséquent. Dans tous les cas, la Figure 4.25e confirme que l'incorporation de deutérium n’améliore pas la fiabilité des capacités MOS.

Pour terminer, la passivation par deutérium a également été intégrée sur des transistors (Figure 4.26a). Les propriétés de la grille sur les transistors n’ont pas pu être extraites dans ce cas-ci. Néanmoins, la Figure 4.26d montre que si la densité d’états d’interface a probablement été réduite avec le recuit HPD2, la mobilité des porteurs à champ faible reste équivalente à un recuit N2/H2. Par

ailleurs, le compromis Ion/Ioff (Figure 4.26b) et les résistances d’accès extraites (Figure 4.26c) sont similaires quelle que soit la passivation. A noter que les résistances d’accès sont ici très élevées

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(RSD~600Ω.µm contre ~280Ωµm auparavant) probablement dû à un problème de siliciuration lors de

l’intégration.

Figure 4.26 : a) Process flow, b) Compromis Ion/Ioff, c) Extraction de Raccess et d) de mobilité à champ faible en

utilisant la méthode-Y de transistors fabriqués avec passivation par FGA ou recuit HPD2.

La Figure 4.27 montre toutefois une dégradation de la fiabilité PBTI et NBTI sur les transistors. Des résultats différents sont obtenus dans la littérature, par exemple dans [Hook05], où aucune influence de la passivation par deutérium sur la fiabilité NBTI n’est trouvée. Au contraire, une amélioration de la fiabilité NBTI a été observée dans [Kimizuka00]. La dégradation de la fiabilité dans notre cas peut indiquer une création de défauts dans le volume du SiO2 (piège de trous) dans le cas du NBTI et qui

peut expliquer les variations négatives de tension de bande plates observées précédemment, ainsi que dans le volume du HfO2 (piège d’électrons) dans le cas du PBTI. Néanmoins, ces différences de résultats

obtenus par rapport à la littérature montrent que les phénomènes liés à l’hydrogène et/ou au deutérium sont encore relativement peu compris. De plus, des différences de procédés (e.g. température, pression du recuit) peuvent induire les différences observées.

Figure 4.27 : Mesures de ΔVT vs EOX sous une contrainte électrique a) positive (nMOS) et b) négative (pMOS) pour

des transistors fabriqués avec passivation par FGA ou recuit HPD2.

En conclusion, l’utilisation d’une passivation par le deutérium, plus lourd que l’hydrogène, permet de réduire la densité d’états d’interface SiO2/Si, même si le procédé semble moins efficace dans un

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En revanche, malgré la formation de liaisons Si-D censées être plus stables, une légère dégradation de la fiabilité PBTI et NBTI a été observée qui pourrait être liée à la formation de pièges de trous et d’électrons dans le SiO2 et le HfO2 respectivement.