Réalisation et analyse-caractérisation de dispositifs MOS à diélectrique de grille Ta2O5

par Christophe Chanelière

Thèse de doctorat en Dispositifs de l''électronique intégrée

Sous la direction de Bernard Balland.

Soutenue en 1999

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Nos travaux concernent l'élaboration et la caractérisation de dispositifs métal-isolant-silicium réalises à base d'oxyde de tantale (Ta2O5), un matériau diélectrique à forte permittivité envisage comme une alternative possible aux films de SiO2 et de Si3N4 Les applications visées de Ta2O5 sont les capacités de stockage des mémoires DRAM et les diélectriques de grille des transistors MOSFET. Les films de Ta2O5 ont été formes par dépôt chimique en phase vapeur a basse pression (LPMOCVD) à partir d'un précurseur organométallique (Ta(OC2H5)5) et active plasma (ECR PECVD) à partir d'une source non-carbonée (TaF5). Les dispositifs réalises (capacités MOS, transistors MOSFET) ont été caractérises par diverses méthodes physico-chimiques et électriques. Des films amorphes et cristallins d'épaisseurs variables (de 20 a 60 nm) et déposes sur SiO2 ou Si3N4 ont été étudies. Nous abordons ce travail par une synthèse bibliographique dédiée aux méthodes de dépôt, propriétés et applications de Ta2O5. Nous présentons dans une deuxième partie les étapes de réalisation des structures et les techniques de caractérisation employées sont ensuite développes les résultats obtenus sur les structures capacitives : mesure de la permittivité de Ta2O5 en phase hexagonale, caractérisation de cette phase, évaluation des courants de fuite en fonction des paramètres de fabrication (méthode de dépôt, influence de divers recuits, structure amorphe ou cristalline). Dans une quatrième partie, nous proposons une procédure de simulation permettant l'identification des mécanismes de conduction dans les structures bicouches ; cette procédure a été appliquée pour la détermination des mécanismes responsables du transport du courant dans les capacités Ta2O5/ SiO2 et Ta2O5/ Si3N4. Enfin, nous présentons les résultats obtenus sur les premiers démonstrateurs MOSFET à grille en Ta2O5 dépose à partir de TaF5, ainsi que quelques pistes à suivre pour la réalisation des futurs dispositifs MOSFET à grille en Ta2O5.

  • Titre traduit

    = Fabrication and characterisation of Ta2O5; gate insulator MOS structures


  • Résumé

    Our works deal with the deposition and characterisation of metal-insulator-silicon structures based on tantalum pentoxide (Ta2O5), a high dielectric constant material envisaged as a possible alternative to the usually employed SiO2 and Si3N4 thin films. Ta2O5 films are strongly favoured for the storage capacitors of drams memories and are also foreseen for applications as gate dielectric in MOSFETS transistors. The Ta2O5 thin films were deposited by low pressure chemical vapour deposition (LPMOCVD) from an organometallic precursor (Ta(OC2H5)5), and by plasma enhanced chemical vapour deposition (ECR PECVD) from a carbon-free source (TAFS). The fabricated structures (MOS capacitors, MOSFETS transistors) were characterised by various physico-chemical and electrical techniques. Amorphous and crystalline films of various thicknesses (ranging from 20 to 60 nm) and deposited onto SiO2 or Si3N4 were studied. We start this work by a bibliographical synthesis devoted to the deposition methods, properties and applications of Ta2O5. We explain in a second part the different steps of the fabrication of our structures as well as the techniques used for characterisation. Then, we present the results obtained on our capacitors: measurement of the dielectric constant of the hexagonal phase of Ta2O5, properties of this phase, leakage current 1 characteristics as a function of the process parameters (deposition method, influence of various annealing treatments, amorphous or crystalline structure). In a fourth part, we propose a simulation procedure allowing the determination of the conduction mechanisms in double dielectric structures; this procedure was applied for the identification of the mechanisms responsible of carrier transport in Ta2O5/ SiO2 and Ta2O5/ Si3N4 capacitors. Finally, we present the results obtained on the first MOSFETS demonstrators with a Ta2O5 gate dielectric deposited from TAFS, as well as some trends for the future MOSFETS structures with a Ta2O5 gate.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (199 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 169-193. Publications de l'auteur p. 195-196

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2297)
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