Composition du jury

Mme Catherine DUBOURDIEU - DR CNRS - INL - Lyon - Rapporteur

M. Christophe VALLEE - Professeur UJF - LTM - Grenoble - Rapporteur

Mme Elisabeth BLANQUET DR CNRS - SIMAP - Grenoble - Examinateur

M. Frédéric MORANCHO Professeur UPS - LAAS - Toulouse - Examinateur

Mme Sylvie SCHAMM-CHARDON - DR CNRS - CEMES - Toulouse - Directeur de thèse

M. Remy GASSILLOUD - Docteur-Ingénieur - CEA-Leti - Encadrant de thèse

M. Pierre CAUBET - Ingénieur - STMicroelectronics - Co-encadrant

M. Daniel BENSAHEL - Conseiller Scientifique - CNRS-INSIS - Co-encadrant

Résumé

Pour continuer la miniaturisation, l'industrie de la microélectronique a choisi de remplacer l'empilement de grille historique SiO₂/polySi par le couple HfO₂/métal depuis le nœud technologique 45 nm. Cependant, à cause de l'utilisation de schémas d'intégration à fort budget thermique, la diffusion incontrôlée des espèces chimiques dans ces nouveaux empilements compromet l'obtention des paramètres électriques adaptés au cahier des charges de l'ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), en particulier le travail de sortie effectif (EWF) et l'épaisseur équivalente d'oxyde (EOT). Une option pour minimiser cet effet consiste à utiliser un schéma d'intégration associé à un bas budget thermique (≤400°C).

Avec cette nouvelle approche, l'objectif de ce travail de thèse était de proposer puis d'étudier des métaux qui permettraient d'obtenir à la fois une EOT subnanométrique et un EWF compatible pour une co-intégration nMOS (4.1-4.4 eV) et pMOS (5.1-4.8 eV) adaptés aux futurs nœuds technologiques 20-14 nm. Pour atteindre ce but, nous avons décidé de déterminer les mécanismes physico-chimiques qui contrôlent l'EWF et l'EOT des empilements de grille choisis. Nous nous sommes appuyés sur une étude systématique de la distribution élémentaire et de la liaison chimique au sein de ces empilements de taille nanométrique via des analyses aux échelles locales HRTEM/EDX et mésoscopiques XPS (ToF-SIMS). Cette approche couplée à des considérations thermodynamiques a permis de comprendre et d'interpréter nos mesures électriques (EWF, EOT) et d'aller vers des solutions innovantes.

L'électrode TiAlN_x déposée directement sur HfO₂ s'est révélée prometteuse. En modulant le taux d'azote dans la couche, nous avons démontré pour la première fois un écart de 0.8eV entre une électrode TiAlN_x<1 déficitaire en N (4.2 eV) et une électrode TiAlN_x>1 riche en N (5.0 eV) avec une EOT subnanométrique. Ces résultats ont été obtenus après avoir compris comment l'azote et l'oxygène étaient redistribués au sein des empilements. En particulier, leur solubilité solide, élevée dans le Ti et quasi nulle dans l'Al, permet de rendre compte des mécanismes de réduction à distance de l'épaisseur de la couche de silice interfaciale (EOT) et des mécanismes de formation d'un métal TiAlN_x de caractère TiN (EWF élevé) ou riche en Ti (faible EWF).

Bien que le métal TiAlN_x soit optimisé pour une utilisation duale nMOS et pMOS, il n'est pas stable thermiquement pour pouvoir subir des recuits post-fabrication. Nous avons alors proposé deux systèmes plus simples et stable jusqu'à 500°C. Il s'agit d'alliages métalliques obtenus par interdiffusion de deux métaux simples. Ils utilisent tous les deux le Ni, métal de WF élevé et peu réactif vis-à-vis de l'oxygène de la couche interfaciale. L'alliage TaNi_x confère un caractère pMOS à l'empilement, complémentaire du caractère nMOS de HfO₂/Ta (4,75-4,35eV). L'alliage NiTi_x confère un caractère nMOS à l'empilement, complémentaire du caractère pMOS de HfO₂/Ni (4,2-5,0eV). Les valeurs de EWF mesurées montrent que ces alliages sont prometteurs pour les technologies MOSFET actuelles.