Electricidad y Electró

235 Pages·2013·13 MB·English

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
Departamento de Física Aplicada III
(Electricidad y Electrónica)

HIGH PERMITTIVITY DIELECTRICS FOR NEXT
GENERATIONS OF INTEGRATED CIRCUITS

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR
PRESENTADA POR
Pedro Carlos Feijoo Guerrero

Bajo la dirección del doctor

Enrique San Andrés Serrano

Madrid, 2013

© Pedro Carlos Feijoo Guerrero, 2013
DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA III
(ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA)

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

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Supervisor: A thesis submitted in partial
Prof. Enrique San Andrés Serrano fulfillment of the requirements for
the degree of Doctor by
Pedro Carlos Feijoo Guerro

A mi padre, José Luis,
y a sus hermanas, Ana y Menchi.

AGRADECIMIENTOS
Ante todo, me gustaría agradecer a mi director de tesis Enrique San Andrés
todo su esfuerzo, su dedicación, su comprensión, su ayuda y un largo etcétera que
hacen este trabajo, en gran parte, suyo.
Debo agradecer a Germán González y a Ignacio Mártil la oportunidad que me
dieron al entrar en el grupo de investigación de “Láminas Delgadas y
Microelectrónica”. Este trabajo no habría sido posible sin la reflexión sobre las cosas
que hace Álvaro del Prado, sin el trabajo en el laboratorio de la decana Mª Luisa
Lucía Mulas (ni las incontables anécdotas que cuenta), ni sin las sonrisas que nos trae
Margarita Sánchez cada vez que pasa por la biblioteca. Y por supuesto, no puedo
olvidar la ayuda administrativa de Mar Gálvez.
Gracias también a todos los que hicieron posible trabajar en Bélgica. Guido
Groeseneken me proporcionó la oportunidad de una estancia en Imec. Moonju Cho y
Thomas Kauerauf dirigieron mi trabajo y me enseñaron los secretos de la fiabilidad.
Fue una experiencia profesional y personal inolvidable.
A este trabajo también han contribuido: Beatriz Millán y José Ruiz, del “CAI de
Espectroscopia”, por las medidas FTIR; José Luis García Fierro, del “Instituto de
Catálisis y Petroleoquímica”, por el XPS; Laura Casado, del “Instituto de Nanociencia
de Aragón”, por la preparación de las muestras TEM; Rodrigo Fernández-Pacheco y
Alfonso Ibarra, del “Instituto de Nanociencia de Aragón”, por medidas TEM; María
Jesús López y Yolanda Atienza, de la “Plataforma de Nanotecnología” del “Parc
Cientific” de Barcelona, por la preparación de muestras; y Adrían Gómez, del “Centro
de Microscopía”, por las medidas TEM. También se lo agradezco a Helena Castán,
Salvador Dueñas y su grupo de la Universidad de Valladolid, por las colaboraciones
realizadas.
María Toledano ha sido una de las personas más importantes durante la
realización de esta tesis. Ella estuvo conmigo muchas horas al principio en el
laboratorio, enseñándome los procesos de fabricación. Su ayuda con los papeleos
cuando me fui a Bélgica es impagable. Y encima, me acogió en su casa y me ayudó en
el Imec todo lo que pudo. Gracias, María.
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Gracias a Marián Pampillón, porque es un placer trabajar con ella. Y porque su
alegría nos endulza los cafés por la mañana. A David Pastor y Javier Olea, por todo lo
que he compartido con ellos. A Antonio José Blázquez, por sus discusiones políticas. Es
sorprendente cómo los compañeros de trabajo se convierten en amigos. Y gracias
también a los ya no tan nuevos, Eric García y Rodrigo García, ya que ellos serán los
siguientes.
A Rosa Cimas, por su inestimable ayuda en el día a día, sus ánimos y sus
conversaciones. También me gustaría hacer especial mención a Fernando Herrera y
a Pablo Fernández.
A Amrit, Xiao, Dimitrios, Gabriel, Emy, Martin, Leo, Darragh, Rudy, Evgeny,
Pawan, Vijay y Arnaud, me hicistéis sentir como en casa mientras estaba Lovaina. Las
fiestas en Thomas Morus han quedado en mi memoria para siempre.
A Luis Daniel, Simón, Clara, Noelia, Violeta, Cristina, Amanda, Carlos Alberto,
Fernando y Juanjo, me habéis enseñado que todavía hay mucho por lo que luchar. Y
además, merece la pena luchar a vuestro lado.
A Laura, Yaco y Antonio, ojalá sigamos apoyándonos y compartiendo nuestro
camino por mucho tiempo. A los demás Dipolos: Cris, Jaime, Di, Rubén, Vane, Mo,
Rosa, Su, Ramos, Jorge… cada día que os veo, aprendo más de vosotros. Y a David
Yllanes, porque sin tu ayuda todos estos años, no habría llegado hasta aquí.
A Angélica, que ya es casi parte de mi familia.
A mi hermana y a mi hermano, Gema y José Luis, por su apoyo. A mi padre y a
mi madre, José Luis y Julia, porque esto también es el resultado de muchos años de su
trabajo. Me habéis ayudado a convertirme en la persona que soy hoy. Tener la familia
que tengo es mucha suerte.
Y a ti, que estuviste ahí cuando más te necesité.
Pedro C. Feijoo Guerro
ii
TABLE OF CONTENTS
Agradecimientos....................................................................................................................... i
Table of contents .................................................................................................................. iii
Abstract ................................................................................................................................... vii
List of figures ........................................................................................................................... ix
List of tables ........................................................................................................................... xv
List of acronyms ................................................................................................................. xvii
List of symbols ..................................................................................................................... xix
Summary .............................................................................................................................. xxv
Resumen ................................................................................................................................. xix

Chapter I. Introduction ......................................................................................................... 1
I.1 CMOS device scaling ................................................................................................................. 1
I.2 High κ/metal gate stacks ........................................................................................................ 2
I.3 The third generation of high κ dielectrics ....................................................................... 6
I.4 High pressure sputtering ....................................................................................................... 7
I.5 Multiple gate architectures.................................................................................................... 8
I.6 Outline of the thesis .................................................................................................................. 9
References ........................................................................................................................................10
Chapter II. Fabrication techniques ................................................................................ 17
II.1 High pressure sputtering (HPS) .......................................................................................17
II.1.1 System description ............................................................................................18
II.1.2 Plasmas: Collisional events ............................................................................23
II.1.3 Voltage distribution in rf systems ...............................................................24
II.I.4 Transport and thermalization of sputtered and backscattered
particles ........................................................................................................................................27
II.1.5 Glow Discharge Optical Spectroscopy (GDOS) .......................................29
II.2 Electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition
(ECR-PECVD) ...................................................................................................................................30
II.3 Metal-Insulator-Semiconductor fabrication ...............................................................34
II.3.1 Electron beam evaporation ...........................................................................34
II.3.2 Lithography ..........................................................................................................36
II.3.3 Thermal treatments ..........................................................................................40
II.4 Substrates and substrate cleaning ..................................................................................41
iii
II.5 Fin field effect transistor (FinFET) architecture .......................................................43
II.6 Summary ...................................................................................................................................45
References ........................................................................................................................................46
Chapter III. Characterization techniques .................................................................... 49
III.1 Electrical characterization ................................................................................................49
III.1.1 The metal-insulator-semiconductor (MIS) capacitor ........................49
III.1.2 Interface defects in the stack .......................................................................57
III.1.3 Leakage current ................................................................................................65
III.2 Reliability assessment ........................................................................................................66
III.2.1 Time-dependent dielectric breakdown (TDDB) ..................................67
III.2.2 Bias Temperature Instabilities (BTI) .......................................................71
III.3 Structural characterization ..............................................................................................74
III.3.1 Ellipsometry .......................................................................................................75
III.3.2 Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy ................................76
III.3.3 Glancing incidence X-ray diffraction (GIXRD) .......................................78
III.3.4 Transmission Electron Microscopy (TEM) ............................................80
III.3.5 X-Ray photoemission spectroscopy (XPS) .............................................83
III.3.6 Time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS) .......84
III.4 Summary .................................................................................................................................86
References ........................................................................................................................................86
Chapter IV. Scandium oxide/silicon interface characterization......................... 93
IV.1 Experiment .............................................................................................................................94
IV.2 Results and discussion .......................................................................................................96
IV.2.1 Structural characterization ..........................................................................96
IV.2.2 Electrical characterization ......................................................................... 104
IV.3 Summary and conclusions ............................................................................................. 108
References ..................................................................................................................................... 110
Chapter V. Scandium oxide films ................................................................................ 115
V.1 Experiment ............................................................................................................................ 116
V.2 Results and discussion ...................................................................................................... 117
V.2.1 Structural characterization ......................................................................... 117
V.2.2 Electrical characterization .......................................................................... 125
V.3 Summary and conclusions ............................................................................................... 126
References ..................................................................................................................................... 127

iv
Chapter VI. Gadolinium oxide films ........................................................................... 133
VI.1 Experiment .......................................................................................................................... 133
VI.2 Results and discussion .................................................................................................... 135
VI.2.1 Structural characterization ....................................................................... 135
VI.2.2 Electrical characterization ......................................................................... 140
VI.3 Summary and conclusions ............................................................................................. 145
References ..................................................................................................................................... 146
Chapter VII. Gadolinium scandate films ................................................................... 151
VII.1 Experiment ......................................................................................................................... 152
VII.2 Results and discussion ................................................................................................... 153
VII.2.1 Structural characterization ...................................................................... 153
VII.2.2 Electrical characterization ....................................................................... 158
VII.3 Summary and conclusions............................................................................................ 163
References ..................................................................................................................................... 164
Chapter VIII. Ultra low EOT FinFET reliability ....................................................... 167
VIII.1 Experiment ....................................................................................................................... 167
VIII.2 Results and discussion ................................................................................................. 170
VIII.2.1 Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) ........................... 170
VIII.2.2 Positive Bias Temperature Instabilities (PBTI) .............................. 175
VIII.3 Summary and Conclusions ......................................................................................... 180
References ..................................................................................................................................... 181
Chapter IX. Summary, conclusions and future work ........................................... 185
IX.1 Summary ............................................................................................................................... 185
IX.2 Conclusions .......................................................................................................................... 186
IX.3 Future work ......................................................................................................................... 187
List of publications ........................................................................................................... 189
Journal papers.............................................................................................................................. 189
Conference contributions ........................................................................................................ 190
Patents ............................................................................................................................................ 193
Curriculum vitae ............................................................................................................... 195

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