Analyse corrélée du plasma de pulvérisation et des films minces de La2O3 et de RuO2 pour les futurs transistors MOSFET

par Vincent Blech

Thèse de doctorat en Physique des gaz et des plasmas

Sous la direction de Bernard Agius.

Soutenue en 2004

à Paris 11 .


  • Résumé

    Afin d'accroître la puissance de calcul et la rapidité des circuits intégrés, l'industrie de la micro électronique n'a cesse de miniaturiser les composants élémentaires logiques: les transistors à effet de champ (MOSFET). Cette miniaturisation conduit à une limitation fondamentale: sous 2 nm, le diélectrique de grille de SiO2 est fortement perméable aux courants tunnel. Une solution consiste à déposer des films plus épais d'un diélectrique à "forte permittivité" (e > 15). Nous avons étudié les propriétés physico-chimiques et électriques de films minces de La2O3 (e ~30) déposés par pulvérisation cathodique magnétron afin de tester les possibilités d'intégration d'un tel diélectrique dans les MOSFET. Le matériau étant fortement hygroscopique, il faut éviter tout contact avec l'air, ce qui a été réalisé en l'encapsulant sous un film mince protecteur de Ru ou de ZrO2. De plus l'utilisation de la cible de pulvérisation est également rendue complexe par l'instabilité chimique de La2O3: nous avons étudié un procédé de prépulvérisation adapté de la cible qui permet d'obtenir des films minces reproductibles. La seconde partie de cette thèse traite de l'oxyde de ruthénium RuO2, utilisé comme électrode de grille métallique pour réaliser des structures métal-isolant-semiconducteur, nécessaires à l'étude des propriétés électriques des films de La2O3. Les films minces de RuO2 étant obtenus par pulvérisation cathodique en milieu réactif (argon + oxygène), nous avons étudié le plasma (par spectroscopie d'émission optique, ou SOE) ainsi que les films minces obtenus, en fonction du débit d'oxygène. La corrélation de ces mesures permet d'une part une meilleure compréhension des mécanismes de croissance de RuO2 en pulvérisation réactive et, d'autre part, laisse envisager la possibilité d'utiliser la SOE comme un moyen de contrôle du dépôt, bon marché, en temps réel et in-situ. Enfin les caractérisations électriques des hétérostructures Si/La2O3/RuO2, encapsulées sous ZrO2, révèlent que La2O3 possède une permittivité de ~20, et qu'un film de 4. 5 nm (possédant une épaisseur équivalente de SiO2 de 3 nm) donne des courants de fuite de 10^-6 A. Cm^-2 pour une tension de grille de 1V. Enfin nous avons estimé les densités d'états électroniques et de charges fixes dans la zone interfaciale.


  • Résumé

    In order to increase the calculation power and speed of integrated circuits, semiconductor industry has continuously scaled down its elementary components: the field effect transistors, so called MOSFETs. Such scaling down leads to a fundamental limitation: for a SiO2 gate dielectric thinner than 2 nm, high direct tunnel current appears to dramatically alter the behaviour of the transistor. To solve this problem, high dielectric constant (high-K, i. E. K > 15) dielectrics are needed. We studied the physical and electrical properties of La203 (K~30) thin films deposited by magnetron sputtering, in order to evaluate its compatibility with the industrial process of MOSFETs fabrication. This material is highly reactive with water molecules in air and, as a consequence, must be capped; such process could be achieved with Ru or ZrO2 cap layers. On the other hand, the use of the La2O3 sputtering target was also made complicated by its chemical instability. Thus, we studied a "pre-sputtering" process which allows obtaining reproducible thin films. The second part of this thesis is about ruthenium oxide RuO2, which was used as the metal gate electrode in metal-insulator- semiconductor structures, in order to study the electrical properties of La2O3 thin films. Since RuO2 thin films are deposited by reactive (Ar + O2) sputtering, we studied both properties of the plasma (with optical emission spectroscopy, or OES) and properties of thin films, as a function of O2 flux. The correlation of both measurements allows understanding the mechanisms of RuO2 growth in oxidizing atmosphere, as well as controlling the deposition process with OES, a non expensive, fast and in-situ technique. Moreover, the electrical characterization of Si/La2O3/RuO2 structures, capped with a ZrO2 film, show a dielectric constant of ~20 for La2O3, and leakage currents of 10^-6 A. Cm^-2 (at gate voltage = 1V) for a 4. 5 nm La2O3 film (which corresponds to an equivalent SiO2 thickness of 3 nm). To conclude, interface states density and fixed charge density in the dielectric film have also been estimated.

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Informations

  • Details : 199 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2004)40
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