Hétérostructures et disponibles microélectriques à base d'oxydes High-k : Préparés sur silicium par EJM

par Loic Becerra

Thèse de doctorat en Microélectronique. Matériaux

Sous la direction de Guy Hollinger.

Soutenue en 2008

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , en partenariat avec Laboratoire d'électronique, optoélectronique et microsystèmes (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

mots clés

• Oxydes high-k
• LaAIO3, AI203, Gd203
• Propriétés électriques EOT
• Capacité MOS, MOSFET
• Diode tunnel résonante (RTD)
• Rheed, xps, afm, tem
• Épitaxie par faisceaux moléculaires
• Cristallin
• Matériaux amorphes

Résumé

Depuis 40 ans, l’industrie microélectronique s’est développée en exploitant la technologie CMOS silicium et en se livrant à une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs. Cette miniaturisation est de plus en plus limitée par l’apparition de phénomènes quantiques. Ainsi, désormais beaucoup trop fine pour autoriser des densités de courants de fuite acceptables au bon fonctionnement des transistors MOSFET, la traditionnelle couche isolante de grille SiO2-SiOxNy s’est vue détrônée au profit des oxydes high-κ qui, à structure capacitive équivalente, présentent une épaisseur physique plus importante permettant de limiter les fuites par effet tunnel. Les solutions industrielles exploitées ou développées pour les nœuds technologiques 45, 32 et 22nm sont à base d’oxydes HfO2 amorphes. En parallèle, des oxydes alternatifs amorphes ou monocristallins sont explorés dans la communauté académique pour les nœuds technologiques sub-22nm. Pour atteindre les épaisseurs équivalentes d’oxyde SiO2 (EOT) visées, de l’ordre de 0,5nm, il est important de pouvoir alors obtenir des interfaces abruptes sans couches interfaciales. Un autre critère important est la stabilité thermique des interfaces oxydes/silicium. Le premier objectif de cette thèse était d’évaluer la qualité électrique des systèmes LaAlO3 amorphe/Si et LaAlO3 amorphe/Al2O3monocristallin/Si proposés et développés à l’INL. Les hétérostructures, préparées par épitaxie par jets moléculaires (EJM), sont caractérisées par des propriétés structurales, physico-chimiques et thermodynamiques très prometteuses : interfaces abruptes et stabilité thermodynamique. De bonnes caractéristiques électriques ont été observées pour LaAlO3/Si, avec notamment l’obtention d’une valeur d’EOT de 0,5nm et des courants de fuite en accord avec les spécifications de l’ITRS pour les nœuds sub-22nm. Néanmoins, l’interface avec le silicium s’est révélée instable lors de traitements post-dépôt, avec l’apparition de couches interfaciales de silicates attribuées à la diffusion d’oxygène de contamination. Des solutions permettant de contourner ces limitations ont été proposées. Pour LaAlO3/Al2O3/Si, l’intérêt d’avoir une couche épitaxiale d’Al2O3 à l’interface est de rendre le système plus robuste envers les recuits à haute température (compatibilité CMOS) et de limiter la diffusion d’oxygène. La contrepartie est de conduire à des EOT plus élevées qu’avec le seul LaAlO3. Les mesures électriques réalisées ont démontré les potentialités de ce système bi-couches en termes d’EOT, avec l’obtention d’une valeur de 1,1nm. Cependant, l’existence de charges négatives entraîne des perturbations dans les caractéristiques électriques qui sont toutefois corrigeables avec des recuits post dépôt appropriés. L’étude des deux systèmes a conforté le choix du LaAlO3 amorphe comme diélectrique high-κ potentiel pour les futures générations CMOS. Pour sa mise en œuvre, l’élément clé serait de disposer de techniques d’élaboration permettant d’obtenir à la fois des interfaces oxyde/Si abruptes et des oxydes sans lacunes d’oxygène. Toujours en s’appuyant sur le savoir faire préalablement développé à l’INL sur les oxydes monocristallins épitaxiés sur Si, le deuxième objectif de la thèse était d’évaluer la faisabilité d’hétérostructures oxyde/silicium/oxyde pour diodes tunnel résonantes. La maîtrise des oxydes épitaxiés sur silicium a en effet relancé l’intérêt pour de tels dispositifs, qui pourraient devenir compatibles avec la technologie CMOS et offrir des applications nouvelles. Des simulations quantiques ont été réalisées et des essais de croissance menés pour les systèmes Al2O3/Si et Gd2O3/Si. La principale difficulté est de pouvoir reprendre en épitaxie une couche de silicium bidimensionnelle sans défauts structuraux. Si le système Al2O3/Si s’est révélé inapproprié, le système Gd2O3/Si, plus favorable, a permis la réalisation d’hétérostructures. Une caractéristique I-V de RTD a ainsi pu être observée pour la première fois à température ambiante pour des hétérostructures Gd2O3/Si/Gd2O3/Si(111).

Titre traduit

Microelectronic heterostructures and devices with high-k oxides prepared on silicon by MBE

Résumé

For the last 40 years, CMOS technology has been central to the microelectronics industry, with a continual drive towards device miniaturization. However, this miniaturization is increasingly limited by quantum phenomena, such that the traditional SiO2-SiOxNy insulating layer is now too thin to prevent high leakage current densities disturbing the MOSFET’s efficient operation, and hence the introduction of high-κ oxides. For the same capacitive structure, these oxides present a more important thickness which limits leakages by the tunnel effect. Industrial solutions exploited or developed for the 45, 32 and 22nm nodes are based on amorphous HfO2. In parallel, alternative oxides, amorphous or monocrystalline, are being explored by the academic community for sub-22nm technology nodes. To reach the equivalent oxide thickness (EOT) of SiO2, targeted at around 0. 5 nm, it is primordial to achieve abrupt interfaces without interfacial layers and thermal stability of the oxide / silicon interfaces. The first objective of this thesis was to evaluate the electrical quality of LaAlO3 amorphous/Si and LaAlO3 amorphous/Al2O3monocrystalline/Si systems proposed and developed at the INL. The heterostructures, prepared by molecular beam epitaxy (MBE), are characterized by very promising structural, physiochemical and thermodynamic properties : abrupt interfaces and thermodynamic stability. Good electrical characteristics were observed for LaAlO3/Si, in particular achievement of a 0. 5nm EOT and leakage currents in agreement with ITRS specifications for sub-22nm nodes. However, the interface with the silicon substrate is found to be unstable during post-deposition treatments, with the emergence of interfacial silicate layers, attributed to the diffusion of contamination oxygen. Ways to circumvent these restrictions have been proposed. For LaAlO3/Al2O3/Si, the interest of having an epitaxial layer of Al2O3 at the interface is to make the system more robust against high temperature annealing (CMOS compatibility) as well as limiting oxygen diffusion. The drawback of this system is a greater EOT value compared to LaAlO3 alone. The electrical measurements carried out have demonstrated the potential of this dual-layer system in terms of EOT, with an obtained value of 1. 1nm. Nevertheless, the existence of negative charges leads to disturbances in the electrical characteristics, which can however be corrected with appropriate post-deposition annealings. The study of these two systems has reinforced the choice of amorphous LaAlO3 as a potential high-κ dielectric for future CMOS generations. For its implementation, the key would be to find methods allowing both abrupt oxide / Si interfaces and oxides without oxygen vacancies. Applying knowledge previously developed at the INL on the epitaxial growth of single crystal oxides on Si, the second objective of the thesis was to evaluate the feasibility of oxide/silicon/oxide heterostructures for resonant tunneling diodes (RTD). Indeed, the control of epitaxial oxides on silicon has revived interest in such devices which could become compatible with CMOS technology and offer new applications. Quantum simulations were realised and growth tests were conducted for Al2O3/Si and Gd2O3/Si systems. The main difficulty for the epitaxy is to grow a two-dimensional silicon layer without structural defects. If the Al2O3/Si system was shown to be inadequate, the more favorable Gd2O3/Si system allowed the making of RTD heterostructures. A typical RTD I-V characteristic has been observed for the first time at room temperature for Gd2O3/Si/Gd2O3/Si(111) heterostructures.