CAFM Nanoscale electrical properties and reliability of HfOz based gate dielectrics in electron devices : Impact of the polycrystallization and resistive switching

Abstract

La evolución de los dispositivos MOS ha conllevado una reducción de tamaño de los mismos con el fin de mejorar sus prestaciones. Sin embargo, este continuo escalado se ha topado con un límite físico: la delgada capa aislante de SiO2 (entre otros), que fuerza la búsqueda de nuevas alternativas que permitan abastecer al exigente mercado tecnológico. En las dimensiones en las que actualmente se trabaja, del orden de nanómetros, los fenómenos cuánticos adquieren gran importancia siendo, entre otros, las corrientes de fuga uno de los principales escollos con los que se ha de lidiar. Estas corrientes provocan un aumento del consumo de potencia y disminución de la fiabilidad del dispositivo. Entre las alternativas que se perfilan como posibles opciones para reducir estas corrientes de fuga, la sustitución del hasta ahora principal aislante de la electrónica, el SiO2, por un material con una mayor constante dieléctrica, high-k (HK), ocupa una posición aventajada. Estos nuevos materiales HK permitirían mantener la misma capacidad del óxido que se obtendría usando un determinado grosor de SiO2 pero, utilizando un grosor físico mayor, reduciendo de esta manera las corrientes de fuga a través de la puerta del MOSFET. Aunque es una idea ampliamente aceptada no por ello es una tarea sencilla, ya que la introducción de estos nuevos materiales no está exenta de problemas que puedan influir en la fiabilidad del dispositivo. Por ejemplo, la morfología de los high-k y su impacto en las propiedades eléctricas del stack son factores importantes que deben ser considerados ya que pueden influir en el correcto funcionamiento del dispositivo. Los materiales bajo estudio son varios y diversos, pero gran parte de la comunidad científica apunta hacia el HfO2, o aleaciones relacionadas, y el Al2O3, como sustitutos del SiO2. Esta tesis, enmarcada en el campo de la microelectrónica, y concretamente en el estudio de la fiabilidad y caracterización eléctrica de los dispositivos MOS (Metal Óxido Semiconductor) de última generación, basados en HfO2, se centra principalmente en la evaluación, a escala nanométrica, de las propiedades morfológicas y eléctricas de dispositivos MOS fabricados con dieléctricos high-k (en concreto el HfO2). Particularmente, se analiza la influencia de la cristalización de la capa de HfO2, característica que adquiere tras haber sido sometida a un proceso de annealing durante el proceso de fabricación, en las propiedades eléctricas de la misma. Dicha cristalización puede alterar las propiedades morfológicas del material, lo que a su vez, puede repercutir en su homogeneidad eléctrica y su fiabilidad. También se ha llevado a cabo el estudio a escala nanométrica del fenómeno Resistive Switching, principal principio de operación de las memorias resistivas de acceso aleatorio (ReRAM). La evaluación del impacto de la cristalización, a escala nanométrica, se ha llevado a cabo mediante el uso de técnicas y herramientas de caracterización con resoluciones nanométricas como el AFM (Atomic Force Microscope) y técnicas relacionadas como el C-AFM (Conductive Atomic Force Microscope) o el Kelvin Probe Force Microscope (KPFM).

The evolution of MOS devices has involved an important shrinking in the transistor size with the aim of improve their benefits. However, this continuous miniaturization has found its physical limits in the thin SiO2 dielectric layer with current sizes at nanometric scale. Due to the continuous SiO2 layer thickness shrinking in a MOS transistor, tunnelling current increased more and more becoming the dominant source of device leakage. The main consequences of this leakage current enlargement are, on one hand, the consumption increase and, on the other hand, the impoverishment of the reliability of the device, which can be understood as an increment of the probability that the device failure happens for shorter times than usually. As a possible alternative to reduce the tunnelling current and also to avoid reliability issues, materials with higher dielectric constant were proposed to replace the SiO2 layer. These materials, known as high-k dielectrics, allow to obtain the equivalent performance for the capacitance with a larger physical thickness reducing, therefore, the leakage current. However, this substitution, although it sounds simple it is really a complicate issue since the introduction of new materials has associated new challenges and difficulties that must be solved. For example, the morphology of the high-k material and its impact on the electrical properties of the stack are important factors to be considered. Different materials are under study but HfO2, and related alloys, and Al2O3 are highlighted materials. This thesis, enshrined in the field of microelectronics and, specifically, in the reliability and electrical characterization of MOS devices based on high-k dielectrics, has been devoted to the analysis of nanoscale morphological and electrical properties of thin HfO2 layers with the aim to gain more insight in these new materials and related problems. Concretly, the influence of their polycrystallization on the electrical properties and breakdown (BD) of a HfO2 based gate stack has been evaluated. The study of the Resistive Random Access Memory (ReRAM) operating principle, Resistive Switching (RS), has been also investigated on MIM structures with HfO2 as dielectric. Since many of the problems associated to these materials (like, for example, their polycrystallization) and the failure mechanisms that affect the gate oxide are phenomena that have been found to have a nanometric origin, these analyses have been performed with AFM and related techniques as CAFM (Conductive Atomic Force Microscopy) or KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy).