Caracterització elèctrica de dielèctrics de porta de dispositius MOS amb CAFM: SiO2 i dielèctrics d'alta permitivitat

Abstract

Des dels seus inicis fa unes quatre dècades, la tecnologia microelectrònica ha anat reduint contínuament les dimensions dels dispositius, per tal d'oferir millors prestacions. Actualment les dimensions d'interès dels dispositius han entrat profundament en el rang nanomètric. Com exemples representatius, la longitud de porta i el gruix de l'òxid de porta (SiO2) dels transistors MOS està per sota dels 100nm i d'uns 2nm, respectivament. Dos dels problemes més importants amb que es troba la indústria microelectrònica a l'hora de continuar millorant les característiques dels dispositius tenen el seu origen en la reducció dels dos paràmetres esmentats anteriorment: <br/>- Com reduir la longitud de porta fins a poques desenes de nm i<br/>- Com solucionar els problemes associats al corrent túnel tant gran que es té en òxids de porta tant extremadament prims.<br/>Per reduir la longitud de porta, i les dimensions superficials de les estructures en general, s'estan seguint dues tendències: per un costat continuar amb la fotolitografia convencional però utilitzant cada vegada radiacions amb longitud d'ona més curta, i per altra banda la utilització de tècniques radicalment noves com les microscopies de sonda propera. Entre aquestes darreres cal destacar la microscopia de forces atòmiques (AFM), que permet fer oxidacions locals amb dimensions laterals mínimes de l'ordre de 10nm i dimensions verticals per sota de 1nm.<br/>- En aquesta tesi s'ha utilitzat aquest òxid crescut amb AFM com a dielèctric de porta en estructures MOS i s'ha caracteritzat amb Conductive-AFM (CAFM) tant a nivell microestructural com elèctric. A més, s'ha integrat l'oxidació amb AFM dintre d'un procés CMOS estàndard.<br/>Una de les estratègies principals que s'ha proposat per reduir el corrent túnel que es té a través de l'òxid de porta (que provoca un augment del consum d'energia del dispositiu inacceptable) és la substitució del SiO2 per altres materials amb permitivitat més alta (H-K materials), com el HfO2 o el ZrO2. Aquests materials H-K permetran assolir el gruix d'òxid equivalent necessari, però, amb un gruix físic més gran, reduint així dràsticament el corrent túnel. En aquesta tesi s'ha:<br/>- Caracteritzat microestructural i elèctricament amb CAFM alguns dels materials H-K amb més possibilitats de substituir al SiO2 per tal d'ampliar el coneixement sobre les seves propietats elèctriques.<br/>-Estudiat (principalment amb CAFM) la degradació i ruptura dielèctrica en estructures MOS amb dielèctric de porta H-K, i s'han proposat models per aquests fenòmens que permeten millorar les prediccions sobre la seva fiabilitat.

Desde sus inicios hace unas cuatro décadas, la tecnología microelectrónica ha ido reduciendo continuamente las dimensiones de los dispositivos, para ofrecer mejores prestaciones. Actualmente las dimensiones de interés de los dispositivos han entrado profundamente en el rango nanométrico. Como ejemplos representativos, la longitud del canal y el grosor del óxido de puerta (SiO2) de los transistores MOS está por debajo de los 100nm y de unos 2nm respectivamente. Dos de los problemas más importantes con que se encuentra la industria microelectrónica para continuar mejorando las prestaciones de los dispositivos tienen su origen en la reducción de los dos parámetros mencionados anteriormente:<br/>- Como reducir la longitud de canal hasta pocas decenas de nm y<br/>- Como solucionar los problemas asociados a la corriente túnel tan elevada que se tiene en óxidos de puerta tan extremadamente delgados.<br/>Para reducir la longitud de la puerta, y las dimensiones laterales de las estructuras en general, se están siguiendo dos tendencias: por un lado continuar con la fotolitografía convencional pero utilizando cada vez radiaciones con una longitud de onda menor, i por otro lado, la utilización de técnicas radicalmente nuevas como las microscopías de sonda cercana. Entre estas últimas se debe destacar la microscopía de fuerzas atómicas (AFM), que permite realizar oxidaciones locales con dimensiones laterales mínimas del orden de 10nm y dimensiones verticales por debajo de 1nm.<br/>- En esta tesis se ha utilizado este óxido crecido mediante AFM como dieléctrico de puerta en estructuras MOS y se ha caracterizado con Conductive-AFM (CAFM) tanto a nivel microestructural como eléctrico. Además se ha integrado la oxidación con AFM dentro de un proceso CMOS estándar.<br/>Una de las estrategias principales que se ha propuesto para reducir la corriente túnel que se tiene a través del óxido de puerta (que provoca un aumento inaceptable del consumo de energía del dispositivo) es la substitución del SiO2 por otros materiales con permitividad mayor (materiales H-K, del inglés high-k materials), como el HfO2 o el ZrO2. Estos materiales H-K permiten alcanzar el grosor eléctrico equivalente necessario, pero, con un grosor físico superior, reduciendo drásticamente la corriente túnel. En esta tesis se ha:<br/>- Caracterizado microestructural y eléctricamente con CAFM algunos de los materiales H-K con más posibilidades de substituir al SiO2, para ampliar los conocimientos sobre sus propiedades eléctricas.<br/>- Estudiado (principalmente mediante CAFM) la degradación y la ruptura dieléctrica en estructuras MOS con dieléctrico de puerta H-K, y se han propuesto modelos para estos fenómenos.

Since its early days, microelectronics has always searched for smaller devices in order to increase the performance of its products. At present, this means that the dimensions of the electronic devices have deeply entered into the nanometric range. At this scale, two of the main showstoppers related to MOS fabrication and reliability are: <br/>- From a lateral size viewpoint, how to define smaller patterns, and<br/>- From a vertical dimension viewpoint, how to reduce the tunneling current through the ultra thin SiO2 layers used as the GOX.<br/>To achieve the demanded lateral dimensions, nanofabrication has evolved following mainly two strategies: on the one hand, the standard photolithographic process resolution has been improved by using for instance shorter wavelengths, whereas, on the other, several new techniques such as Atomic Force Microscopy (AFM) oxidation, based on completely different working principles than standard photolithography, have emerged. AFM can oxidize with lateral resolution of a few nm and with a vertical resolution below the nm.<br/>- In this Thesis AFM grown SiO2 has been used as the gate oxide in MOS structures, and it has been characterized by Conductive-AFM (CAFM). Moreover, AFM oxidation has been integrated in a standard CMOS process.<br/>In order to reduce the tunneling current, one of the several solutions proposed is replacing thermal SiO2 by another material with a higher dielectric constant (known as high-k materials) such as HfO2 or ZrO2. High-k materials could allow to reach the required equivalent oxide thickness, but with a larger physical oxide thickness, which reduces the leakage current drastically. In this Thesis:<br/>- Some of these high-k materials has been studied by CAFM in order to analyze their electrical properties.<br/>- The electrical degradation and breakdown of HfO2/SiO2 stacks have been analyzed by CAFM in order to study their dielectric reliability.