Metal gate work function modulation mechanisms for 20-14 nm CMOS low thermal budget integration

par Bilel Saidi

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Sylvie Schamm et de Rémy Gassilloud.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .

  • Titre traduit

    Compréhension de la modulation du travail de sortie de métaux de grille pour l'intégration à bas budget thermique du CMOS 20-14 nm


  • Résumé

    Afin de poursuivre la miniaturisation des dispositifs CMOS, l'empilement HfO2/Métal a remplacé l'empilement SiO2/polySi. Cependant, la diffusion incontrôlée des espèces chimiques dans ces nouveaux empilements fabriqués avec un fort budget thermique compromet l'obtention des travaux de sortie (EWF) et des épaisseurs d'oxyde équivalent (EOT) définis par l'ITRS. Une solution consiste à utiliser une intégration à plus bas budget thermique. Avec cette nouvelle approche, l'objectif de ce travail de thèse était de comprendre les paramètres physiques permettant d'obtenir une EOT<1nm et des EWF permettant une co-intégration nMOS et pMOS pour des nœuds futurs CMOS 20-14 nm. En nous appuyant sur différents méthodes d'analyse physico-chimique (STEM EDX, TOF-SIMS et XPS), la distribution spatiale des éléments et leurs liaisons chimiques au sein d'empilements de taille nanométrique ont été discutées et, sur la base de considérations thermodynamiques, corrélées aux valeurs mesurées de l'EOT et EWF. Nous avons démontré pour la première fois un écart de ~0. 8eV entre une électrode TiAlNx déficitaire et riche en azote, déposée sur HfO2. Ces résultats ont été obtenus après avoir identifié les mécanismes qui contrôlent l'EWF et l'EOT dans des empilements plus simples TiN/Ti, Al et TiAl. Les grilles HfO2/TiAlNx ne sont cependant pas stables thermiquement. Nous avons alors proposé deux systèmes métalliques plus simples et plus stables utilisant des alliages TaNix et NiTix obtenus par interdiffusion dans les empilements HfO2/Ta/Ni et de HfO2/Ni/Ti. Ces structures de grilles à base de Ni apparaissent prometteuses pour une co-intégration CMOS à bas budget thermique.


  • Résumé

    To continue CMOS scaling, the HfO2/metal gate stack replaced the historical SiO2/PolySi gate stack. But the uncontrolled interdiffusion and reactivities of the new gate materials integrated with the classical high thermal budget approach appear to be a roadblock to reach the effective work function (EWF) and equivalent oxide thickness (EOT) ITRS targets. One solution consisted in implementing an approach with a lower thermal budget. Using this new approach, the aim of this thesis work was to understand the physical mechanisms, which enable to reach an EOT<1nm and an EWF relevant for nMOS and pMOS co-integration as required for the next 20-14nm CMOS nodes. Using spatially resolved TEM/EDX analyses and macroscopic TOF-SIMS and XPS techniques, elemental distributions and chemical bonds across nanometric-sized stacks were discussed and, based on thermodynamic considerations, correlated with the measured EWF and EOT. We showed for the first time that the modulation of nitrogen during TiAlN deposition on HfO2 results in a ~0. 8eV EWF shift between the N-poor and N-rich HfO2/TiAlNx electrodes. The TiAlN complex system was understood after the identification of the EWF and EOT modulation mechanisms in the simple gate stacks TiN/Ti, Al or TiAl. Although TiAlNx electrodes define the best compromise for a variable EWF with a sub-nm EOT, it exhibits a low thermal stability. Therefore, we investigated two simpler metallic and stable systems using TaNix and NiTix alloys resulting from thermally assisted Ni-Ta and Ni-Ti interdiffusion in HfO2/Ta/Ni and HfO2/Ni/Ti stacks, respectively. These Ni-based electrodes are shown to be promising for a low thermal budget CMOS co-integration.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (158 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 147-156

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0300
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