Croissance et caracterisation d'oxydes de grille ultra-minces (1 - 2,5 nm) pour les technologies CMOS 0. 10-0. 12 micromètres

par Maud Bidaud

Thèse de doctorat en Dispositifs de l''électronique intégrée

Sous la direction de Jean-Luc Autran et de Kathy Barla.


  • Résumé

    La réduction continuelle de l'épaisseur de l'oxyde de grille permet d'améliorer les performances des transistors MOS tout en générant des contraintes considérables : complexité croissante de la métrologie, forte augmentation du courant de fuite de grille pouvant affecter la consommation des circuits, chute brutale de la fiabilité du diélectrique, difficulté d'intégration dans les structures PMOS du fait de la diffusion du bore. Pour répondre à ces nombreuses difficultés, nous avons proposé différentes solutions technologiques de type RTP. Dans un premier temps, nous avons substitué un oxyde humide (ISSG) à un oxyde sec. Nous améliorons ainsi significativement la durée de vie du diélectrique sans modifier son courant de fuite. Une analyse électrique et physique fine nous permet d'expliquer cette amélioration par une densification du matériau. Pour réduire la fuite de grille, nous recuisons ensuite cet oxyde ISSG sous atmosphère NO. De nombreuses méthodes de quantification de l'azote nous permettent de mettre en évidence un profil d'azote localisé à l'interface Si-SiO2 et des doses maximales atteignant 3. 10 15 at. Cm-2. De plus, nous prouvons que le diélectrique ainsi formé se comporte comme une excellente barrière à la diffusion du bore et qu'il permet de réduire le courant de fuite de grille d'un facteur 4 à 8. Néanmoins, ce procédé de nitruration s'accompagne d'une ré-oxydation de l'oxyde piédestal et, de fait, implique une augmentation de son épaisseur électrique et physique et une dégradation des performances des transistors MOS. Pour s'affranchir de cet effet, nous avons introduit deux nouveaux types de nitruration plasma (RPN et DPN). Nous démontrons que ces deux procédés sont très prometteurs car permettent de réduire le courant de fuite tout en conservant l'épaisseur électrique de l'oxyde.

  • Titre traduit

    = Growth and characterization of ultra-thin gate oxides (1,0- 2,5nm) for 0,10- O,l2J. Tm CMOS technology nodes


  • Résumé

    Continuous scaling of the gate oxide thickness is mandatory to improve MOS performances. However, this involves deleterious effects as increasing complexity of the oxide thickness metrology, rising tunneling gate leakage, dropping reliability of the dielectric and boron diffusion from the gate to the channel of PMOS structures. To challenge previous issues, we propose several RTP technical solutions. First, we substitute wet RTP oxide, so-called ISSG, for conventional dry oxide. So, we improve significantly the dielectric lifetime with no change of the gate leakage. Advanced electrical and physical analyses make us conclude this improvement is due to a densification of the material. To reduce the gate leakage, the ISSG oxide is then annealed in a NO ambience. Using many quantification techniques, we demonstrate that the nitrogen piles up at the Si-Si02 interface with incorporated N doses up to 3. 1015 at. Cm-. Moreover, we show the dielectric behaves as an efficient blocking barrier against boron diffusion, and allows reducing the gate leakage dawn to 8x. However, this nitridation process goes along with a simultaneous re-oxidation of the bottom oxide. Consequently, the physical and electrical oxide thicknesses increase, leading to degraded device performances. To free from this effect, we introduce two other plasma nitridation processes (RPN and DPN). We show them to be highly promising since they allow decreasing the gate leakage with no change of the oxide thickness.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (200 p.-non paginé [33] p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2565)
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.