Analyse par XPS d'empilements High-K Metal Gate de transistors CMOS et corrélation des décalages d'énergie de liaison aux tensions de seuil

par Charly Fontaine

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Thierry Chevolleau.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (laboratoire) .


  • Résumé

    Les dernières technologies microélectroniques embarquent des transistors dont les isolants de grille sont des isolants à forte constante diélectrique (high-k en anglais) associés à des grilles métalliques (on utilise l'abréviation HKMG pour high-k – metal gate). Si cet empilement permet de garder une quantité de charges suffisante dans le canal, il est plus difficile de contrôler les tensions de seuil des transistors à cause de la présence de charges et de dipôle dans ces couches ou aux interfaces. Deux études préliminaires ont établi qu'il existe une corrélation entre les énergies de liaisons des éléments mesurées par XPS d'un empilement HKMG et la tension de seuil d'un transistor utilisant ce même empilement. Des charges sont présentes dans les couches isolantes des empilements HKMG, conduisant à un décalage du potentiel électrostatique au sein de ces couches. Ceci induit une modification du travail de sortie effectif de l'électrode métallique du transistor. Et en XPS ces charges induisent une variation de l'énergie cinétique des électrons extraits des couches se trouvant sous ces charges. L'objectif de cet thèse est de simuler de manière quantitative l'impact électrostatique induit par ces charges et dipôles et de comparer cet impact aux décalages des raies XPS ainsi qu'aux mesures électriques des tensions de seuil des transistors. Ceci permettra ensuite d'estimer la variation des tensions seuil des transistors très en amont dans le procédé de fabrication

  • Titre traduit

    XPs analysis of High K Metal Gate transistors and relationship between binding energy shift and threshold voltage


  • Résumé

    The last microelectronic technologies includes transistors with materials of high dielectric constant (high-k ) associated to metal gate (we use the abbreviation HKMG for high-k - bad metal). If this pile allows to keep a sufficient quantity of charges in the channel, it is more difficult to check the threshold voltage of transistors because of the presence of charge and of dipole in these layers or in the interfaces. Two preliminary studies established that there is a correlation between the binding energies measured by XPS of a pile HKMG and the threshold voltage of a transistor using the same pile. Charges are present in the insulating layers of piles HKMG, leading to a difference of the electrostatic potential within these layers. A modification of the effective workfunction of the metallic electrode of the transistor in s then observed, and in XPS these charges lead t oa variation of the kinetic energy of electrons extracted from the layer. The purpose of this thesis is simulate in a quantitative way the electrostatic impact of this charges and dipôles and to compare this impact with the observation made by XPS as well as with the electric measures of the threshold voltage of transistors. This will then allow to estimate the variation of the threshold voltage of transistors well further in the manufacturing process.