Elaboration par PE-MOCVD à injection de couches minces d'oxyde d'yttrium pour des applications en microélectronique avancée

par Christophe Durand

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Catherine Dubourdieu et de Christophe Vallée.

Soutenue en 2004

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .

    mots clés mots clés


  • Résumé

    La miniaturisation en microélectronique impose de remplacer à terme SiO2 par un matériau à forte permittivité pour diverses applications (MOS, MIM). Ce travail est consacré à l'élaboration de couches minces d'oxyde d'yttrium et de silicate d'yttrium par une technique de dépôt CVD innovante combinant à la fois une assistance plasma et un système d'injection pulsée de précurseurs organométalliques. Après un travail d'optimisation, les dépôts ont été réalisés à 350°C sur deux types de substrat. La microstructure des films a été analysé finement par un ensemble de techniques. Les propriétés électriques du matériau ont été étudiées dans des structures MOS ou MIM. Dépôt sur substrat Si (application oxyde de grille pour MOS) : l'introduction d'un flux important d'espèces réactives permet d'augmenter la vitesse de dépôt et de réduire la formation de SiO2 et de silicate d'yttrium à l'interface Si/YxOy. Après recuit à haute température (700 °C), une recroissance de SiO2 et de silicate est observée (dépendant du caractère oxydant du milieu). Un recuit à 450°C sous H2 permet d'améliorer les caractéristiques électriques. Dépôt sur substrat métallique TiN (application capacités MIM) : des capacités à base d'oxyde d'yttrium ont été réalisées en faisant varier l'épaisseur de l'oxyde. Des traitements thermiques à basse température ont été étudiés. En particulier, un recuit sous rayonnement UV sous 02 à 400°C est bénéfique. Une capacité surfacique de 5fF/um2 a été obtenue (avec une tension de claquage de 8 V et une linéarité de 650 ppm/V2). Les premiers résultats d'intégration du matériau en filière damascène en collaboration avec StMicroelectronics et le CEA-LETI sont présentées.


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  • Titre traduit

    Yttrium oxide thin films elaboration by pulsed injection Plasma-Enhanced Metal-Organic Chemical Vapor Deposition for applications in advanced microelectronics


  • Résumé

    The scaling in microlectronics requires SiO2 replacement by high-k materials for various applications (CMOS, MIM. . . ). This work deals with the synthesis of yttrium oxide and yttrium-based silicate thin films by an innovative CVD technique combining plasma assistance and a pulsed liquid injection source of metal-organic precursors. After the optimisation of the deposition parameters, the films were grown at 350 °C on two different substrates and were finely characterized by different techniques. The electrical properties of MOS or MIM structures were studied. Deposition on Si substrate (MOS gate oxide application) : the increase of the reactive species flux allows to enhance the deposition rate and also to reduce the SiO2 and Y-based silicate formation at the Si/YxOy interface. A SiO2 and Y-based silicate re-growth is observed after high-temperature annealing at 700°C (depending of the oxidizing nature of the atmosphere). A post-treatment under H2 flux at 450°C improves the electrical properties. Deposition on TiN metallic substrate (MIM capacitor application) : MIM capacitors based on yttrium oxide were prepared with varying film thicknesses. Several types of low-temperature annealings were investigated. A post-treatement under UV radiation with O2 gas at 400°C was found highly beneficial. A capacitance density value of 5 fF/um2 was obtained (with a high breakdown voltage value of 8 V and a reasonable linearity of 650 ppm/V2). Finally, the first results of yttrium oxide integration in MIM capacitor devices using a damascene process (performed in collaboration with ST Microelectronics and CEA/LETI) are presented.

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Informations

  • Détails : 246 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.233-245

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TS04/GRE1/0175
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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS04/GRE1/0175/D
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