Electrical and physicochemical characterization of metal gate processes for work function modulation and reduction of local VTH variability in 14FDSOI technologies

par Carlos Augusto Suarez Segovia

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Gérard Ghibaudo, Florian Domengie et de Charles Leroux.

Le président du jury était Catherine Dubourdieu.

Le jury était composé de Gérard Ghibaudo, Florian Domengie, Charles Leroux.

Les rapporteurs étaient Nathalie Malbert, Brice Gautier.

  • Titre traduit

    Caractérisation électrique et physico-chimique des procédés de grille métallique pour modulation du travail de sortie et réduction de la variabilité locale du Vth des technologies FDSOI 14 nm


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation électrique et physico-chimique des grilles métalliques des dispositifs FDSOI MOSFET 14 nm à base d’oxyde high-K fabriqués chez STMicroelectronics. Ces grilles métalliques sont composées de couches de TiN, lanthane et aluminium, déposées par pulvérisation cathodique RF. Des structures de test et un schéma d’intégration simplifié permettant l’analyse capacitive ont été mis en place pour caractériser la modulation du travail de sortie effectif des grilles métalliques en TiN avec l’incorporation d'additifs tels que le lanthane ou l’aluminium. Ces additifs ont été incorporés suivant une approche de grille sacrificielle. Par ailleurs, une méthodologie inédite basée sur la fluorescence X a été proposée et validée pour la caractérisation précise en ligne de la diffusion des additifs. Cette méthodologie permet de prouver que la dose effective de l’espèce incorporée après recuit de diffusion peut être modélisée en fonction de l’épaisseur du TiN piédestal dans la grille sacrificielle ainsi que de la température de recuit. De plus, la variation de l’épaisseur de l’oxyde interfaciel sur une seule plaquette (oxyde biseau) autorise l’identification de l’origine physique de la modulation du travail de sortie effectif, qui s’explique par un dipôle qui évolue avec la dose effective de l’espèce incorporée. En conséquence, un modèle de la diffusion des dopants de grille dans l’oxyde high-K et de leur impact sur le travail de sortie effectif des grilles métalliques a été proposé afin de moduler avec précision la tension de seuil (VTH) des dispositifs FDSOI 14 nm. En outre, l’impact de l’oxyde high-K à la fois sur la diffusion des additifs et sur la modulation du travail de sortie effectif a été mis en évidence. Enfin, un procédé innovant de dépôt métallique, permettant la modification de la microstructure du TiN, a été développé afin d’améliorer davantage la variabilité locale du VTH des dispositifs FDSOI.


  • Résumé

    This Ph.D. thesis is focused on the fabrication and electrical and physicochemical characterization of metal gates in 14 nm high-K based FDSOI MOSFET devices, manufactured at STMicroelectronics. These metal gates are composed of TiN, lanthanum and aluminum layers, deposited by RF sputtering. Test structures and a simplified integration scheme allowing C-V measurements, have been implemented in order to characterize the modulation of the effective work function of TiN metal gates with the incorporation of dopants such as lanthanum or aluminum. These additives are incorporated in a sacrificial gate-first approach. Furthermore, a new methodology based on X-ray fluorescence was proposed and validated for accurate in-line characterization of the diffusion of dopants. This methodology enables to prove that the effective dose of the species incorporated into dielectrics after diffusion annealing may be modeled as a function of the thickness of the pedestal TiN in the sacrificial gate and the annealing temperature. Moreover, the variation of the thickness of the interfacial oxide along the wafer (bevel oxide) authorizes the identification of the origin of the modulation of the effective work function, which is explained by a dipole that evolves with the effective dose of the incorporated dopant. Accordingly, a model of the diffusion of dopants into the gate dielectrics and their impact on the effective work function of metal gates has been proposed to precisely modulate the threshold voltage (VTH) of the 14 nm FDSOI devices. In addition, the influence of the high-K oxide on both the diffusion of dopants and the modulation of the effective work function was highlighted. Lastly, an innovative process for metal deposition, allowing the modification of the microstructure of TiN, was developed in order to further improve the local VTH variability in FDSOI devices.


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