Electrical conduction in high-k-based gate stacks of advanced CMOS technology
Etude de la conduction électrique dans les diélectriques à forte permittivité utilisés en microélectronique
Résumé
Since 45nm node, the replacement of conventional SiO2 oxide by a high-permittivity dielectric has become mandatory to continue Moore's law : such material enables to keep high gate capacitance values while reducing gate leakage current. However, a complete understanding of gate leakage mechanisms through high-κ-based gate stacks has not been reached yet. This thesis analyses electrical conduction in interfacial layer - high-κ dielectric - metal gate stacks. Quantum confinement modeling is first presented, by means of self-consistent Poisson-Schrödinger resolution accounting for both wavefunction penetration into the gate stack as well as valence band anisotropy. Then, a complete experimental study highlights the physical mechanisms responsible for gate leakage current, relying on the Ig(Vg) and C(Vg) electrical characteristics of various nMOS gate stacks with different dielectric thicknesses, measured at low and high temperature. Original models for gate current computation are also proposed, in order to establish both HfO2 tunneling parameters and band structure within an experimental approach. Finally, the influence of La- and Mg- capping layers on gate leakage is studied, and the presence of a dipole responsible for threshold voltage shift is experimentaly confirmed.
A partir du noeud technologique 45 nm, le remplacement de l'oxyde de grille SiO2 par un diélectrique high-κ est nécessaire pour poursuivre la loi de Moore : l'introduction d'un tel matériau permet de maintenir une capacité de grille élevée tout en limitant le courant de fuite parasite à travers la couche diélectrique. Toutefois, les mécanismes physiques à l'origine de la réduction de courant restent méconnus. Ce manuscrit présente une étude complète de la conduction électrique dans un empilement oxyde d'interface - high-κ - grille métallique. Nous présentons dans un premier temps la modélisation Poisson-Schrödinger développée pour rendre compte de l'effet de confinement à l'interface du Silicium, prenant en compte la pénétration de charge dans l'empilement et traitant de la non-parabolicité de la bande de valence. Une étude expérimentale étendue met ensuite en évidence les mécanismes physiques à l'origine de la conduction, en s'appuyant sur un ensemble de caractéristiques Ig(Vg) et C(Vg) d'empilements d'épaisseurs variables, mesurées à basse et haute température. Des approches originales pour modéliser le transport permettent également d'établir les paramètres tunnel et la structure de bande du HfO2, tout en soulignant la nature sous-stoechiométrique de l'oxyde d'interface. Enfin, ces résultats sont appliqués à l'étude de la conduction dans des empilements high-κ avec additifs Lanthane et Magnésium, et mettent en évidence la formation d'un dipôle contribuant à diminuer la tension de seuil.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)