Caractérisations physico-chimiques et électriques d’empilements de couches d’oxyde à forte permittivité (high-k) / grille métallique pour l’ajustement du travail effectif de la grille : application aux nouvelles générations de transistors

par Rachid Boujamaa

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Catherine Dubourdieu et de Pierre Gentil.

Le président du jury était Christophe Muller.

Le jury était composé de Catherine Dubourdieu, Pierre Gentil, Maryline Guilloux-Viry, Eduard Cartier, Mickaël Gros-Jean.

Les rapporteurs étaient Nicholas Barrett, Sylvie Schamm.


  • Résumé

    Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement des technologies CMOS 32/28nm chez STMicroelectronics. Elle porte sur l'étude d'empilements de grille métal/diélectrique high-k élaborés selon une stratégie d'intégration Gate First, où le couple TiN/HfSiON est introduit avec une couche interfaciale SiON et une encapsulation de la grille TiN par du polysilicium. Cette étude s'est principalement focalisée sur l'analyse des interactions entre les différentes couches constituant les empilements, en particulier des additifs lanthane et aluminium, employés pour moduler la tension de seuil Vth des transistors NMOS et PMOS respectivement. Les analyses physico-chimiques réalisées au cours de ces travaux ont permis de mettre en évidence la diffusion en profondeur des éléments La et Al à travers le diélectrique de grille HfSiON sous l'effet du recuit d'activation des dopants à 1065°C. Les résultats obtenus ont montré que ce processus de diffusion entraine une réaction du lanthane et de l'aluminium avec la couche interfaciale de SiON pour former un silicate stable La(ou Al)SiO au profit de la couche de SiON. L'analyse des propriétés électrique des structures MOS a permis de révéler que la présence d'atomes La ou Al proximité de l'interface HfSiON/SiON conduit à la présence d'un dipôle généré à cette interface, qui a pour effet de décaler le travail de sortie effectif de la grille métallique.

  • Titre traduit

    Study of manufacturing processes and physicochemical characterization of oxides layers with high dielectric constant : application for new generations of transistors


  • Résumé

    This thesis is part of the development of CMOS technologies 32/28nm STMicroelectronics. It focuses on the study of stacks of metal / high-k dielectric prepared by an integration strategy Gate First , where the couple TiN / HfSiON gate is introduced with an interfacial layer SiON and encapsulation of TiN gate polysilicon by . The study was mainly focused on the analysis of interactions between the various layers forming the stacks , in particular lanthanum and aluminum additives , used for modulating the threshold voltage Vth of the PMOS and NMOS transistors respectively . The physico-chemical analyzes in this work helped to highlight the depth distribution of the elements La and Al through the HfSiON gate dielectric under the influence of dopant activation annealing at 1065 ° C. The results obtained showed that this diffusion process causes a reaction of lanthanum and aluminum with the interfacial layer of SiON to form a stable silicate La ( or Al ) SiO benefit of the SiON layer . The analysis of electrical properties of MOS structures revealed that the presence of the atoms near the Al or HfSiON / SiON interface leads to the presence of a dipole generated at this interface , which has the effect of shifting actual output work of the metal gate.

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