F. Pierre, P. Holliger, T. Lardin, A.M. Papon, O. Renault, N. Rochat, M. Burdin, G. Rolland,
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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 conclusions L’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 Contexte technologique La 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 HfO 2 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 Si Si Si Si OH OH OH OH O Si Si Si Si Si O O Cl Cl HfO 2 Hf Cl Cl + HCl Si Si Si Si Si O O OH OH HfO 2 Hf OH OH + HCl + HfCl 4 + H 2 O Méthode ALD: Cycles alternés d’introduction et purge des réactifs HfCl 4 et H 2 O à partir d’une surface préparée . drain source grille Si Isolant de grille SiO 2 HfO 2 Propriétés cristallographiques ATR / FTIR Attenuated Total Reflection / Fourier Transformed Infrared Spectroscopy GIXRD Glancing 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 (°) Intensité(u.a.) 300 °C 350 °C 111 220 130 311 300°C: couche amorphe ou à grains fins (< 2 nm). 350°C: couche cristallisée phase orthorhombique prépondérante. From FTIR spectromete r Grid polarizer 60° Ge prism Sample Pressure tip Micrometric screw To HgCdTe detector 66° Bruker IFS55 Echantil lon Sour ce Fentes de Sollers Monochromat eur Détecteu r Diffractomètre Panalytical X’Pert MRD 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 600 650 700 750 800 850 W avenum ber (cm -1) Absorbance 300°C 350°C 300°C: pic large entre 650 et 800 cm -1 HfO 2 amorphe. 350°C: pics fins à 675 et 775 cm -1 HfO 2 cristallin. Suivi de croissance TXRF (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 Nom bre de cycles N om bre d'atom es de H fpar cm N b H ftotal N b H fparcycle Hf 0 1E+13 2E+13 3E+13 4E+13 5E+13 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Nom bre de cycles N om bre d'atom es de C lpar cm N b C ltotal N b C lparcycle Cl RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 40 80 120 160 200 240 H f:4.13 10 14 at./cm 2 H fO 2 (2 cycles) /S iO 2 7A /Si S i(sub stra t) Hf RBS a2000 keV angle d'incidence:+7° angle faisceau - norm ale à l'échantillon:+7° Intensité (a.u.) E nergie (keV ) 1200 1300 1400 1500 1600 1700 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 C l:2.15 10 13 at./cm 2 H fO 2 (2 cycles) /S iO 2 7A /Si Zr S 37 Cl 35 Cl RBS a2000 keV angle d'incidence:+78° angle faisceau - norm ale échantillon:-13° Intensité (a.u.) E nergie (keV ) T = 350°C 0,E+00 1,E+14 2,E+14 3,E+14 4,E+14 5,E+14 6,E+14 7,E+14 0 2 4 6 8 10 Num berofcycles H f(at/cm ²) DDC3 R TO am inci SC2 DDC3+SC2 SC 2 -55°C influence de la préparation de surface comportement identique pour le chlore Bon accord TXRF-RBS Propriétés d’interface métrologie Bon accord TEM – ARXPS sur l’épaisseur de la couche interfaciale HfO 2 5 nm à 350°C/ Si O 2 SC2 0.3 nm / Si Liaisons chimiques HfO 2 1 nm / Si O 2 0.7 nm / Si l’analyse des niveaux Hf 4f et Si 2p montre l’existence de liaisons de type HfO x Si y à l’interface. apport du rayonnement synchrotron (LURE). TEM ARXPS 0.55 nm SiO 2 t SiO2 =0.61±0.14 nm Si 0 (substrat) SiO x SiO 2 Si 2p Hf 4f =75° HfO x Si y I=8,0% 0,7 eV Hf 4f =15° HfO 2 17.15 eV HfO x Si y I=3,6% HfSiO 4 5 nm HfO 2 AR-XPS : 1 nm HfO 2 /0.7 nm SiO 2 /Si Si 4+ SiOHf =+3.08 eV Si 2p Après dépôt de HfO 2 Al Ka Si 0 (substrate) Si 3+ =+2.56 eV Si 4+ Si 2p Avant dépôt : 0.7 nm SiO 2 sur Si Al Ka 96 98 100 102 104 106 Intensity(a. u.) B inding Energy (eV) Si 0 Si 1 + Si 2+ Si 3 + Si 4 + h=160 eV Si-O- Hf Intensity (a. u.) e - Spectromètre h=1486.6 eV d d film Sensibilité en profondeur maximum Sensibilité en surface maximum XPS S probe SSI Influence des recuits post-dépôt N on 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 C s+ C s2+ H C s2+ O C s2+ SiC s2+ ClCs2+ HfC s+ 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 C s+ C s2+ H cs2+ O C s2+ SiC s2+ ClCs2+ HfC s+ 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 HfO 2 , ‘silicate’d’hafnium + SiO 2 , 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): HfO 2 en surface et près de l’interface. sous oxyde HfO x au cœur du dépôt. HfO X Si y à l’interface ? à 800°C, liaisons Si-O à l’interface. SIMS Cameca IMS5F faisceau Cs + ( 1keV , 50° ). analyse en mode MCs + ou MCs 2+ résolution en profondeur ~ 1 nm. quantification à l’aide de témoins implantés pour détermination du facteur RSF: Hf dans Si, Cl dans Si et HfO 2 . 0 20 40 60 300 350 400 450 500 ERDA a 2000 keV as dep. 4.6 10 15 H /cm 2 425°C 4.5 10 15 H /cm 2 550°C 3.3 10 15 H /cm 2 800°C 2.9 10 15 H /cm 2 Intensité (u.a.) N °.de canal ERDA Elastic Recoil Detection Analysis Accélérateur VDG - HVEE 2.5 MeV faisceau de particules alpha (E p = 2 MeV). dosage par comparaison avec un témoin. TEM épaisseur SiO 2 = 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 D epth (Å ) Intensity O HfO x HfO 2 HfO x Si y Si-O Si-Si Recuit 800 ° C 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 12 x 10 4 S putterD epth (Å ) Intensity O N on recuit HfO x HfO 2 H fS i x O y Si-Si HfO 2 HfO x HfSi x O y 155 160 165 170 175 180 185 Kinetic Energy (eV) h=160 eV
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Complémentarité des techniques spectroscopiques dans l’étude de couches diélectriques à haute permittivité pour la microélectronique. Sensibilité en profondeur maximum. Spectromètre. F. Pierre, P. Holliger, T. Lardin, A.M. Papon, O. Renault, N. Rochat, M. Burdin, G. Rolland, - PowerPoint PPT Presentation
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Profilomtrie ATR / FTIRAttenuated Total Reflection / Fourier
Transformed Infrared SpectroscopyGIXRDGlancing Incidence X-Ray
DiffractionInfluence de la temprature de dpt 300C: couche amorphe
ou grains fins (< 2 nm).
350C: couche cristallise phase orthorhombique
prpondrante.Proprits dinterfacemtrologieBon accord TEM ARXPS sur
lpaisseur de la couche interfacialeHfO2 5 nm 350C/ Si O2 SC2 0.3 nm
/ Si Liaisons chimiquesHfO2 1 nm / Si O2 0.7 nm / Si lanalyse des
niveaux Hf 4f et Si 2p montre lexistence de liaisons de type
HfOxSiy linterface.
apport du rayonnement synchrotron (LURE).Influence des recuits
post-dpt hydrogne de part et dautre de linterface. remonte de
chlore linterface. diminution de la teneur en hydrogne.
quantification par ERDA. squence HfO2, silicatedhafnium + SiO2, Si.
augmentation de lpaisseur de la couche doxyde (vue aussi par TEM).
ERDAElastic Recoil Detection AnalysisAcclrateur VDG - HVEE 2.5 MeV
faisceau de particules alpha (Ep= 2 MeV). dosage par comparaison
avec un tmoin. TEM paisseur SiO2 = 2.5 nm aprs recuit 800C.hn=160
eV
