Plasma assisted chemical deposition (CVD/ALD) and integration of Ti(Al)N and Ta(Al)N for sub-20 nm metal gate

par Fabien Piallat

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Christophe Vallée.

Le président du jury était Olivier Thomas.

Le jury était composé de Christophe Vallée, Elisabeth Blanquet, Rémy Gassilloud, Pierre Caubet.

Les rapporteurs étaient Brice Gautier, Agnès Granier.

  • Titre traduit

    Dépôt chimique (CVD/ALD) assisté par plasma et intégration de Ti(Al)N et Ta(Al)N pour les métaux de grille sub-20nm


  • Résumé

    L'intégration du métal dans les nœuds technologiques sub-20 nm requiert une conformité supérieure à celle permise par la PVD. Les techniques de CVD, plus spécifiquement la MOCVD et l'ALD, ont été identifiées comme les meilleures solutions pour le dépôt de métal. Pour une application de métal de grille, les alliages carbo-nitrurés de titane et tantale sont considérés comme les plus prometteurs. Dans ce travail une revue détaillée des mécanismes de dépôt par MOCVD et ALD, ainsi que sur l'influence du plasma sur les matériaux déposés est réalisée. Dans un premier temps, les fenêtres de procédés possibles pour un ajustement des propriétés des métaux sont inspectées attentivement. L'accent est mis sur l'impact du plasma sur le métal et sur les mécanismes réactionnels inhérents grâce à une caractérisation poussée du plasma. Par la suite, l'intégration de ces métaux est étudiée avec une analyse précise des interactions se déroulant aux interfaces. La corrélation entre les propriétés physico-chimiques et le comportement électrique des empilements métal/diélectrique à forte permittivité est soutenue par une analyse XPS. Finalement, le dopage aluminium de dépôts de TiN et TaN MOCVD est étudié pour l'obtention de grilles n-mos et p-mos. Par comparaison des propriétés et comportements du dopage aluminium de métaux déposés par PVD et MOCVD, des mécanismes de diffusion sont proposés afin d'expliquer le rôle de l'aluminium sur les variations observées.


  • Résumé

    For the sub-20 nm technological nodes metal conformity requirements are beyond the possibilities of the currently used PVD deposition technique. CVD techniques, more specifically MOCVD and ALD, are identified as the best techniques for metal deposition. For metal-gate application, titanium and tantalum carbo-nitrides alloys are considered as the most promising. In this work, a detailed review of MOCVD and ALD deposition mechanisms and plasma influence on the deposited material is carried out. First, process windows for successful tuning of the metal properties are examined. Plasma impact on the metal and the inherent reaction mechanisms are also highlighted with the help of plasma characterisation. Then great importance is given to the integration of these metals, by careful study of the interactions taking place at the interfaces. Correlations between physico-chemical properties and electrical behavior of the metal/high-k dielectric stack are introduced thanks to XPS characterisation. Finally, aluminium doping of MOCVD TiN and TaN is considered for n-mos and p-mos gate characteristics achievement. By comparison of the properties and behaviours of Al doped metals deposited by PVD and MOCVD, diffusion mechanisms are proposed to explain the role of Al in the observed changes.


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