Complémentarité des techniques spectroscopiques dans l’étude de couches diélectriques à haute permittivité pour la microélectronique.
F. Pierre, P. Holliger, T. Lardin, A.M. Papon, O. Renault, N. Rochat, M. Burdin, G. Rolland, D. Rouchon, S. Marthon (DTS / SCPC), D. Blin (DTS / STME), D. Jalabert (DRFMC/SP2M).
CEA-Grenoble –- 17, Avenue des Martyrs - 38054 Grenoble cedex 9.
Profilométrie
conclusionsL’approche par caractérisations croisées est rendue nécessaire par la complexité des problèmes rencontrés lors des étapes de mise au point, en particulier l’évolution des couches en fonction des températures de dépôt et de recuit, mais aussi des traitements de surface préalables. La synthèse des résultats a permis une meilleure connaissance des propriétés intrinsèques du matériau high-k et de son interface avec l’oxyde sous-jacent.
L’évolution déjà effective vers des couches sub-nanométriques nécessite l’adaptation des techniques présentes au laboratoire (ellipsométrie UV), voire le recours à des moyens extérieurs (rayonnement synchrotron). L’acquisition de nouveaux équipements, plus performants en terme de résolution en profondeur et spatiale mais aussi plus sensibles, doit être envisagée. Le laboratoire sera équipé d’ici 2 ans de la technique MEIS (Medium Energy Ion Scattering) et à plus long terme d’un équipement d’analyses d’extrême surface (UPS-XPS, AES, ISS, HREELS, ESD).
Contexte technologiqueLa réduction sans cesse croissante des dimensions en microélectronique, pour une plus grande intégration dans les dispositifs, conduit à
des choix nouveaux tant du point de vue des méthodes d’élaboration que des matériaux. Dans le contexte du transistor CMOS il s’agit même d’une rupture technologique: l’oxyde de silicium ne peut plus être utilisé comme isolant de grille car la diminution de son épaisseur entraîne une augmentation de la conduction tunnel. Ainsi s’impose le choix d’une nouvelle génération de matériaux dits high-k, dont le compromis épaisseur-permittivité permet une diminution du courant de fuite. Parmi eux, le HfO2 offre une bonne alternative comme isolant de grille, de par sa valeur de permittivité ( > 20 ) et sa compatibilité chimique avec le silicium.Depuis plusieurs années, le LETI se consacre à l’étude de dépôts réalisés par ALD (Atomic Layer Deposition), méthode adaptée à la réalisation de couches ultra minces (quelques nm) sur de grandes surfaces, double exigence imposée par le contexte industriel. Dans les étapes de mises au point, la caractérisation joue un rôle primordial. Parmi les résultats obtenus, ceux présentés ici correspondent aux quatre thématiques les plus étudiées: le suivi de croissance, la profilométrie, les propriétés d’interface et cristallographiques.
Transistor CMOS
Si SiSiSi Si
OHOH OH OH O
Si SiSiSi Si
OO Cl Cl HfO2
Hf
ClCl
+ HCl
Si SiSiSi Si
OO OH OH HfO2
Hf
OHOH
+ HCl
+ HfCl4 + H2O
Méthode ALD: Cycles alternés d’introduction et purge
des réactifs HfCl4 et H2O à partir d’une surface préparée
.drain source
grille
Si
Isolant de grilleSiO2 HfO2
Propriétés cristallographiques ATR / FTIR
Attenuated Total Reflection / Fourier Transformed Infrared Spectroscopy
GIXRDGlancing Incidence X-Ray Diffraction
Influence de la température de dépôt
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
2 theta (°)
Inte
nsité
(u.a
.)
300 °C
350 °C
1 1
1
2 2
0 1
3 0
3 1
1
300°C: couche amorphe ou à grains fins (< 2 nm).
350°C: couche cristallisée phase orthorhombique
prépondérante.
From FTIR spectrometer
Grid polarizer60° Ge prism
SamplePressure tipMicrometric
screw
To HgCdTe detector
66°Bruker IFS55
Echantillon
Source
Fentes de Sollers
MonochromateurDétecteur
DiffractomètrePanalytical X’Pert MRD
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
600650700750800850
Wavenumber (cm-1)
Abs
orba
nce
300°C 350°C
300°C: pic large entre 650 et 800 cm-1
HfO2 amorphe. 350°C: pics fins à 675 et 775 cm-1
HfO2 cristallin.
Suivi de croissanceTXRF (Total X-Ray Fluorescence) TXRF Rigaku
Adsorption maximale au premier cycle.
0
1E+14
2E+14
3E+14
4E+14
5E+14
6E+14
7E+14
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Nombre de cycles
No
mb
re d
'ato
me
s d
e H
f p
ar
cm
²
Nb Hf total Nb Hf par cycle
Hf
0
1E+13
2E+13
3E+13
4E+13
5E+13
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Nombre de cycles
No
mb
re d
'ato
mes d
e C
l p
ar
cm
²
Nb Cl total Nb Cl par cycle
Cl
RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry)
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
40
80
120
160
200
240
Hf : 4.13 1014 at./cm2
HfO2 (2 cycles) / SiO
2 7A / Si
Si (substrat)
Hf
RBS a 2000 keV angle d'incidence: +7°
angle faisceau - normale à l'échantillon: +7°
Inte
nsité
(a.
u.)
Energie (keV)
1200 1300 1400 1500 1600 17000,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Cl : 2.15 1013 at./cm2
HfO2 (2 cycles) / SiO
2 7A / Si
Zr
S
37Cl
35Cl
RBS a 2000 keVangle d'incidence: +78°
angle faisceau - normale échantillon: -13°
Inte
nsité
(a.
u.)
Energie (keV)
T = 350°C
0,E+001,E+142,E+143,E+144,E+145,E+146,E+147,E+14
0 2 4 6 8 10Number of cycles
Hf
(at/
cm
²)
DDC3
RTO aminci
SC2
DDC3+SC2
SC2 - 55°C
influence de la préparation de surfacecomportement identique pour le chlore
Bon accord TXRF-RBS
Propriétés d’interfacemétrologie
Bon accord TEM – ARXPS sur l’épaisseur de la couche interfaciale
HfO2 5 nm à 350°C/ Si O2 SC2 0.3 nm / Si
Liaisons chimiquesHfO2 1 nm / Si O2 0.7 nm / Si
l’analyse des niveaux Hf 4f et Si 2p montre l’existence de liaisons de type HfOxSiy à l’interface.
apport du rayonnement synchrotron (LURE).
TEMARXPS
0.55 nm SiO2
tSiO2=0.61±0.14 nm
Si0 (substrat)
SiOx
SiO2
Si 2p
Hf 4f=75°
HfOxSiy
I=8,0% 0,7 eV
Hf 4f=15°
HfO2 17.15 eV
HfOxSiy
I=3,6%HfSiO4
5 nm HfO2 AR-XPS : 1 nm HfO2/0.7 nm SiO2/Si
Si4+
SiOHf =+3.08 eV
Si 2p
Après dépôt de HfO2
Al KaSi0 (substrate)
Si3+ =+2.56 eV
Si4+
Si 2p
Avant dépôt : 0.7 nm SiO2 sur Si
Al Ka
9698100102104106
Inte
nsity
(a. u
.)
Binding Energy (eV)
Si0
Si1+
Si2+
Si3+
Si4+ h=160 eV
Si-O-Hf
Inte
ns
ity
(a
. u
.)
e-
Spectromètre
h=1486.6 eV
dd
film
Sensibilité enprofondeur maximum
Sensibilité ensurface maximum
XPS S probe SSI
Influence des recuits post-dépôtNon recuit
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
1,E+08
1,E+09
1,E+10
0 5 10 15 20 25 30
Profondeur (nm)
c/s
Cs+
Cs2+
HCs2+
OCs2+
SiCs2+
ClCs2+
HfCs+
Recuit 800°C
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
1,E+08
1,E+09
1,E+10
0 5 10 15 20 25 30
Profondeur (nm)
c/s
Cs+
Cs2+
Hcs2+
OCs2+
SiCs2+
ClCs2+
HfCs+
hydrogène de part et d’autre de l’interface. remontée de chlore à l’interface.
diminution de la teneur en hydrogène. quantification par ERDA. séquence HfO2, ‘silicate’d’hafnium + SiO2, Si. augmentation de l’épaisseur de la couche d’oxyde (vue aussi par TEM).AES
PHI 670 Auger Nanoprobe
suivi en profil de la transition Hf (NVV):
HfO2 en surface et près de l’interface. sous oxyde HfOx au cœur du dépôt. HfOXSiy à l’interface ? à 800°C, liaisons Si-O à l’interface.
SIMSCameca IMS5F
faisceau Cs+ ( 1keV , 50° ). analyse en mode MCs+ ou MCs2+
résolution en profondeur ~ 1 nm. quantification à l’aide de témoins implantés
pour détermination du facteur RSF: Hf dans Si, Cl dans Si et HfO2.
0
20
40
60
80
100
300 350 400 450 500
ERDAa 2000 keV
as dep. 4.6 10 15 H / cm2
425°C 4.5 1015 H / cm2
550°C 3.3 1015 H / cm2
800°C 2.9 1015 H / cm2
Inte
nsi
té (
u.a.)
N°. de canal
ERDAElastic Recoil Detection AnalysisAccélérateur VDG - HVEE 2.5 MeV faisceau de particules alpha (Ep= 2 MeV). dosage par comparaison avec un témoin.
TEM
épaisseur SiO2 = 2.5 nm après recuit à 800°C.
0 20 40 60 80 100 120 140 0
2
4
6
8
10
12
x 10 4
Sputter Depth (Å )
Inte
nsi
ty O
HfOx HfO2 HfOxSiy
Si-O
Si-Si Recuit 800 ° C
0 20 40 60 80 100 120 0
2
4
6
8
10
12 x 10
4
Sputter Depth (Å )
Inte
nsi
ty
O
Non recuit
HfOx HfO2 HfSixOy
Si-Si
HfO2
HfOx
HfSixOy
155 160 165 170 175 180 185
Kinetic Energy (eV)
h=160 eV
Top Related