Introduction générale

Introduction
générale
Caractérisation, modélisation et fiabilité des diélectriques à base de HfO 2
pour les futures technologies CMOS

Introduction générale
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Introduction générale
Le développement de l’industrie de la microélectronique ces quarante dernières
années est véritablement spectaculaire. Omniprésent dans notre vie de tous les jours
(transport, communication, médical et autres …), il a sans cesse amélioré notre quotidien. Son
succès vient en grande partie d’un savoir faire et d’une maîtrise technologique de plus en plus
poussée de l’élément fondamental qui est le silicium. Au cœur de ces avancées technologiques
se trouve le transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) à effet de champ. Le succès de cette
brique élémentaire fait que la technologie CMOS représente près de 90 % du marché des
semiconducteurs.
Au fil des années, la complexité des circuits intégrés a sans cesse augmenté, et cela a
été permis grâce aux améliorations des performances, de la rapidité et de la densité
d’intégration des transistors MOS de nouvelle génération. En effet, le transistor est miniaturisé
à chaque nœud technologique selon l’incontournable loi de Moore. Cette course vers la
miniaturisation a entraîné le monde de la micro et nanoélectronique vers de nouveaux défis,
aussi bien technologiques que physiques. En effet, cette miniaturisation a une répercussion
directe sur la réduction de l’épaisseur d’oxyde de silicium, qui joue le rôle du diélectrique de
grille pour les transistors MOS. Pourtant il y a une limite fondamentale en ce qui concerne la
réduction de l’épaisseur de SiO2. En deçà de 20 Å, les effets quantiques deviennent
significatifs, les courants de fuite deviennent de plus en plus importants, et des problèmes de
fiabilité sont rencontrés. La solution choisie par l’industrie du semiconducteur est l’intégration
de matériaux dits à forte permittivité « high-κ » pour le remplacement des oxydes de grille
standard. Ces oxydes à forte permittivité, de par une épaisseur physique plus grande pour une
même valeur de la capacité de grille, autorisent la poursuite du « downscaling » des transistors
MOSFETs en limitant les courants de fuite à travers l’empilement de grille.
L’année 2007 a constitué un tournant dans l’histoire de la microélectronique et de la
technologie CMOS. Ayant dominé l’industrie durant les quatre dernières décennies, le couple
Si/SiO2 a laissé place à l’intégration d’un matériau high-κ. Dans ces récentes générations de
processeurs, gravés en technologie 45 nm et commercialisés depuis fin 2007, INTEL a choisi
d’introduire un oxyde de grille à base d’hafnium associé à une grille métallique.
Depuis plusieurs années, l’oxyde d’hafnium s’est distingué comme candidat à la
succession due SiO2 dans les technologies CMOS ultra-submicroniques. Les études de ces
dernières années ont montré la compatibilité de ce matériau avec la technologie CMOS et les
recherches se sont orientées vers l’amélioration des propriétés de transport au niveau
transistor (mobilité, défauts). Un des problèmes majeurs liés à l’utilisation du HfO2 comme
isolant de grille concerne la stabilité et la fiabilité des composants, directement liées à la
qualité de l’interface oxyde de grille/canal et à la charge injectée et piégée dans l’oxyde de
grille. Le travail de thèse s’est positionné dans les thèmes de recherche suivants :

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- Analyse expérimentale et modélisation des défauts électriquement actifs dans
l’empilement de grille, des mécanismes de génération de défauts et de conduction à
travers l’isolant de grille à base de HfO2.
- Etude des variations des divers paramètres de fonctionnement des transistors (tension
de seuil ou de bandes plates, courant de drain, mobilité, ...) en fonction des conditions
de polarisation et de température.
- Etude de la dégradation des propriétés isolantes de l’oxyde de grille.
L’objectif final du travail est la compréhension des phénomènes physiques pouvant influencer
la fiabilité des transistors intégrant un oxyde de grille à base de HfO2. Ce manuscrit s’articule
autour de cinq chapitres.
Dans le premier chapitre, nous présentons les limites de la miniaturisation et les
problématiques engendrées sont abordées. Elles permettent de justifier le remplacement de
l’oxyde SiO2 par un oxyde high-k, ainsi que celui de la grille conventionnelle Si-Poly par une
grille métallique. Un classement des matériaux candidats en fonction des principaux critères
de choix est discuté. En dernier point, nous nous focalisons sur les propriétés de l’oxyde
d’hafnium, alternative au SiO2, et de ses principaux défauts. Ce premier chapitre permet
d’avoir une vision globale sur les principales notions nécessaires à la compréhension du sujet.
Le deuxième chapitre est consacré à la caractérisation et à la modélisation de la
capacité et du courant de grille, dans les dispositifs intégrant un diélectrique à base de HfO2.
Dans ce chapitre, des résultats issus de différentes technologies avancées sont présentés.
L’objectif est de comparer leurs comportements électriques aux technologies SiO2 standard. A
partir de confrontations entre mesures expérimentales et simulations quantiques de la
capacité, un nombre important de paramètres physiques est extrait. Pour une bonne
compréhension du mécanisme de conduction à travers l’empilement de grille bicouche, une
étude détaillée est réalisée à travers diverses techniques de mesures. Les analyses
expérimentales du courant de grille sont également couplées à des simulations de courant I-V.
Le troisième chapitre est entièrement consacré à une étude quantitative des défauts
électriquement actifs dans l’empilement de grille. Nous nous intéresserons particulièrement à
la qualité de l’interface oxyde/canal, à la densité de pièges lents et rapides, ainsi qu’à la
distribution spatiale de ces défauts. Deux méthodes de mesure ont été utilisées, le pompage
de charges et le bruit basse fréquence. On montrera que ces deux méthodes peuvent être
complémentaires. Le pompage de charges permet de sonder la distribution des défauts autour
de l’interface SiO2/HfO2 tandis que la méthode de mesure par bruit basse fréquence étudie la
répartition des défauts à une profondeur beaucoup plus importante dans l’oxyde. Dans notre
cas, cela correspond principalement à la couche HfO2.
Le quatrième chapitre est consacré au phénomène d’instabilité de la tension de seuil,
problème récurrent dans les dispositifs à diélectrique de grille high-k. Nous montrerons que ce

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phénomène est attribué à un piégeage-dépiégeage rapide des charges dans des défauts
préexistants (sans création de nouveaux pièges), et qu’il est nécessaire d’utiliser une technique
de mesure rapide. Nous étudierons l’influence de la polarisation de grille, l’impact des
différentes épaisseurs constituant l’oxyde de grille ou encore l’effet de la température sur
l’instabilité de VTh.
Le cinquième chapitre se focalise sur l’aspect fiabilité de ces nouveaux empilements à
forte permittivité. Après un bref rappel sur les différents critères de fiabilité, nous discutons
des mécanismes de dégradation sous contrainte électrique, tels que la génération et le
piégeage de charges, ou encore la dégradation de l’interface Si/SiO2. Pour cela, différentes
techniques de caractérisation sont utilisées. En dernier point, le rôle du remplissage des pièges
préexistant dans le volume de l’oxyde HfO2 dans les instabilités observées sous contrainte PBTI
est étudié ainsi que leur influence sur la dégradation des performances des transistors.