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Chapitre 2
Du siliciure au transistor à grille TOSI
Les siliciures ont été largement étudiés depuis la fin des années 70’s. La large variété des
composés et la complexité de leurs transitions de phase ont motivé des efforts continus dans le
domaine des études fondamentales de ces matériaux. Aujourd’hui, quelques siliciures occupent une
place stratégique dans l’industrie microélectronique, et plus particulièrement le siliciure de nickel
Néanmoins, les mécanismes de formation des siliciures restent très complexes. Aussi, nous verrons
dans une première partie la formation des siliciures métalliques à travers l’exemple du siliciure de
nickel. Nous nous intéresserons alors aux raisons qui ont motivées son implémentation. Puis nous
présenterons le module de siliciuration et l’état de l’art de la grille totalement siliciurée.
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Chapitre 2 Du siliciure au transistor à grille TOSI________________________________________61
1.1 Formation des siliciures ______________________________________________________65
1.1.1 Réaction limitée par la nucléation___________________________________________67
1.1.1.1 Théorie classique de la nucléation ____________________________________68
1.1.1.2 Formation contrôlée par la nucléation _________________________________69
1.1.2 Réaction limitée par la diffusion____________________________________________70
1.1.2.1 La croissance linéaire parabolique (Loi de Deal & Grove): Exemple de la
croissance d’une unique phase MxSiy________________________________________70
1.1.2.2 Cas de la croissance simultanée de deux phases (ou plus)__________________72
1.1.2.3 Principaux paramètres et caractéristiques ______________________________73
1.1.3 Croissance séquentielle et absence de certaines phases __________________________74
1.2 Vers le siliciure de nickel pour les technologies CMOS_____________________________75
1.2.1 Limitations du CoSi2_____________________________________________________76
1.2.1.1 Augmentation de la résistance dans les petites dimensions_________________76
1.2.1.2 Consommation de silicium problématique pour les jonctions fines et les substrats
SOI__________ ________________________________________________________77
1.2.1.3 Incompatibilité du siliciure de cobalt avec les substrats SiGe _______________77
1.2.2 Avantages du NiSi ______________________________________________________78
1.2.2.1 Réduction du budget thermique______________________________________78
1.2.2.2 Une résistivité faible pour une consommation réduite de silicium ___________79
1.2.2.3 Réduction du bridging et de la formation de voids _______________________79
1.2.2.4 Formation d’une phase peu résistive possible sur substrat SiGe _____________80
1.2.3 Challenges du NiSi ______________________________________________________81
1.2.3.1 Formation des phases du système Ni-Si _______________________________81
1.2.3.2 Découvertes récentes sur la séquence de phase du système Ni-Si____________83
1.2.3.3 Diffusion du nickel________________________________________________85
1.2.3.4 Dégradation du NiSi à haute température: NiSi et NiSi2___________________86
1.2.3.5 Contraintes induites par le siliciure de nickel ___________________________88
1.3 Module de siliciuration nickel standard _________________________________________89
1.3.1 Nettoyage de la surface à siliciurer __________________________________________89
1.3.2 Le dépôt de nickel et d’une couche d’encapsulation_____________________________89
1.3.3 Premier recuit de siliciuration (RTA1)_______________________________________90
1.3.4 Le retrait sélectif du métal n’ayant pas réagi __________________________________91
1.3.5 Deuxième recuit de siliciuration (RTA2)______________________________________91
1.4 La grille métallique totalement siliciurée ________________________________________91
1.4.1 Principaux siliciures pour les applications TOSI _______________________________92
1.4.2 Intégration de la grille TOSI _______________________________________________93
1.4.3 Ajustement du travail de sortie effectif_______________________________________93
1.4.3.1 Modulation par ségrégation de dopants ________________________________94
1.4.3.2 Modulation par formation d’alliages à base de nickel _____________________95
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Chapitre 2 : Du siliciure au transistor à grille totalement siliciurée
1.4.3.3 Modulation par contrôle de la phase formée ____________________________96
1.4.4 Théories sur la modulation du travail de sortie et le Fermi pinning _________________98
1.4.4.1 Le concept de travail de sortie _______________________________________98
1.4.4.2 Modulation du travail de sortie des grilles TOSI________________________100
1.4.4.3 Introduction des diélectriques high-k et «Fermi level pinning»_____________102
1.5 Conclusions _______________________________________________________________109
Bibliographie _____________________________________________________________________111
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Chapitre 2 : Du siliciure au transistor à grille totalement siliciurée
Chapitre 2
Du siliciure au transistor à grille totalement siliciuré
1.1 Formation des siliciures
Ayant des propriétés de conduction voisines de celles des métaux, les siliciures ont été
largement étudiés. La grande variété des composés et la complexité de leurs transitions de phase ont
motivé des efforts continus. Sur la Figure II. 1 sont répertoriés la plupart des éléments pouvant se
combiner avec le silicium pour former des siliciures:
IA VIII
H4Si II
A
IIIB IVB
V
B
V
IB
V
IIB
Li22Si5
Li15Si4
Li21Si8
Li2Si
B6Si
B4Si
B3Si
Csi N4Si3Osi
O2Si F4Si
NaSi
NaSi2Mg2Si IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA IB IIB AlSi Si PSi
PSi2S2Si Ssi Cl4Si
KSi
KSi6Ca2Si
CaSi
CaSi2
Sc5Si3
ScSi
Sc2Si3
Sc3Si5
Ti5Si3
Ti5Si4
TiSi
TiSi2 (C49)
TiSi2 (C54)
V3Si
V5Si3
V6Si5
VSi2
Cr3Si
Cr5Si3
CrSi
CrSi2
Mn6Si
Mn9Si2
Mn3Si
Mn5Si2
MnSi
Mn15Si26
Mn27Si47
Mn11Si19
Fe3Si
Fe2Si
Fe5Si3
FeSi
FeSi2
Co3Si
Co2Si
CoSi
CoSi2
Ni3Si
Ni31Si12
Ni2Si
Ni3Si2
NiSi
NiSi2
Cu5Si
Cu15Si4
Cu3Si
As2Si
AsSi SeSi Se2Si Br4Si
Rb2Si
RbSi
RbSi6
RbSi8
SrSi
SrSi2Y5Si4
Y5Si3
YSi
Y3Si5
Zr2Si
Zr5Si3
Zr3Si2
ZrSi
ZrSi2
Nb3Si
Nb5Si3
NbSi2
Mo3Si
Mo5Si3
MoSi2
Tc4Si
Tc5Si3
TcSi
TcSi2
Ru2Si
Ru5Si3
Ru4Si3
RuSi
Ru2Si3
Rh2Si
Rh5Si3
Rh20Si13
RhSi
Rh4Si5
Rh3Si4
Pd5Si
Pd9Si2
Pd4Si
Pd3Si
Pd2Si
PdSi
Pd4Si20
Te3Si2
Te2Si
TeSi
I4Si
CsSi
CsSi3BaSi
BaSi2La5Si3
La5Si2
La3Si2 (*)
LaSi
LaSi2
Hf2Si
Hf5Si2
Hf5Si3
Hf3Si2
Hf5Si4
HfSi
HfSi2
Ta3Si
Ta2Si
Ta5Si3
TaSi2
W5Si3
WSi2Re5Si3 ReSi
ReSi2
OsSi
Os2Si3
OsSi1,8
OsSi2
Ir3Si
Ir2Si
Ir4Si5
Ir3Si4
IrSi1,75
IrSi3
Pt3Si
Pt12Si5
Pt2Si
Pt6Si5
PtSi
(**)
(*) Ce3Si2
Ce5Si3
CeSi
CeSi2
Pr3Si2
PrSi3
PrSi
PrSi2
Nd5Si3
NdSi
NdSi2
Sm5Si3
SmSi
SmSi2
EuSi
EuSi2Gd5Si3
GdSi
GdSi2
Tb5Si3
TbSi
TbSi2
Dy5Si3
DySi
DySi2
Ho5Si3
HoSi
HoSi2
Er5Si3
ErSi
ErSi2
Tm5Si3
TmSi
TmSi2
Yb5Si3
YbSi
YbSi2
Lu5Si3
LuSi
LuSi2
(**)
Th3Si2
ThSi
Th3Si5
ThSi2
U3Si2
Usi
U2Si3
USi2
USi3
NpSi3
NpSi2Pu5Si3 Pu3Si2
Pu2Si3
PuSi
PuSi2
AmSi
AmSi2CmSi Cm2Si3
CmSi2
Métaux de transition
Terres rares
IA VIII
H4Si II
A
IIIB IVB
V
B
V
IB
V
IIB
Li22Si5
Li15Si4
Li21Si8
Li2Si
B6Si
B4Si
B3Si
Csi N4Si3Osi
O2Si F4Si
NaSi
NaSi2Mg2Si IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA IB IIB AlSi Si PSi
PSi2S2Si Ssi Cl4Si
KSi
KSi6Ca2Si
CaSi
CaSi2
Sc5Si3
ScSi
Sc2Si3
Sc3Si5
Ti5Si3
Ti5Si4
TiSi
TiSi2 (C49)
TiSi2 (C54)
V3Si
V5Si3
V6Si5
VSi2
Cr3Si
Cr5Si3
CrSi
CrSi2
Mn6Si
Mn9Si2
Mn3Si
Mn5Si2
MnSi
Mn15Si26
Mn27Si47
Mn11Si19
Fe3Si
Fe2Si
Fe5Si3
FeSi
FeSi2
Co3Si
Co2Si
CoSi
CoSi2
Ni3Si
Ni31Si12
Ni2Si
Ni3Si2
NiSi
NiSi2
Cu5Si
Cu15Si4
Cu3Si
As2Si
AsSi SeSi Se2Si Br4Si
Rb2Si
RbSi
RbSi6
RbSi8
SrSi
SrSi2Y5Si4
Y5Si3
YSi
Y3Si5
Zr2Si
Zr5Si3
Zr3Si2
ZrSi
ZrSi2
Nb3Si
Nb5Si3
NbSi2
Mo3Si
Mo5Si3
MoSi2
Tc4Si
Tc5Si3
TcSi
TcSi2
Ru2Si
Ru5Si3
Ru4Si3
RuSi
Ru2Si3
Rh2Si
Rh5Si3
Rh20Si13
RhSi
Rh4Si5
Rh3Si4
Pd5Si
Pd9Si2
Pd4Si
Pd3Si
Pd2Si
PdSi
Pd4Si20
Te3Si2
Te2Si
TeSi
I4Si
CsSi
CsSi3BaSi
BaSi2La5Si3
La5Si2
La3Si2 (*)
LaSi
LaSi2
Hf2Si
Hf5Si2
Hf5Si3
Hf3Si2
Hf5Si4
HfSi
HfSi2
Ta3Si
Ta2Si
Ta5Si3
TaSi2
W5Si3
WSi2Re5Si3 ReSi
ReSi2
OsSi
Os2Si3
OsSi1,8
OsSi2
Ir3Si
Ir2Si
Ir4Si5
Ir3Si4
IrSi1,75
IrSi3
Pt3Si
Pt12Si5
Pt2Si
Pt6Si5
PtSi
(**)
(*) Ce3Si2
Ce5Si3
CeSi
CeSi2
Pr3Si2
PrSi3
PrSi
PrSi2
Nd5Si3
NdSi
NdSi2
Sm5Si3
SmSi
SmSi2
EuSi
EuSi2Gd5Si3
GdSi
GdSi2
Tb5Si3
TbSi
TbSi2
Dy5Si3
DySi
DySi2
Ho5Si3
HoSi
HoSi2
Er5Si3
ErSi
ErSi2
Tm5Si3
TmSi
TmSi2
Yb5Si3
YbSi
YbSi2
Lu5Si3
LuSi
LuSi2
(**)
Th3Si2
ThSi
Th3Si5
ThSi2
U3Si2
Usi
U2Si3
USi2
USi3
NpSi3
NpSi2Pu5Si3 Pu3Si2
Pu2Si3
PuSi
PuSi2
AmSi
AmSi2CmSi Cm2Si3
CmSi2
Métaux de transition
Terres rares
Figure II. 1:Principaux siliciures pouvant être formés à partir des éléments de la classification périodique [Maex’95].
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