Etude des propriétés morphologiques, électriques et chimiques de l'interface métal/isolant et de leur impact sur les performances de la capacité TiN/Ta2O5/TiN

par Nicolas Gaillard

Thèse de doctorat en Micro et nano-électronique

Sous la direction de Ahmad Bsiesy.

Soutenue en 2006

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    La course à la miniaturisation en microélectronique impose aujourd'hui l'introduction de films métalliques et d'isolants de forte permittivité dans la fabrication des transistors MOS et des capacités MIM afin d'augmenter leur densité tout en maintenant leurs performances électriques. Cependant, l'intégration de ces matériaux doit faire face à certains phénomènes physiques localisés au niveau de l'interface métal/isolant qui peuvent dégrader les performances de ces composants. De ce fait, le choix des matériaux employés ne peut se faire sur la simple considération de leurs propriétés intrinsèques et passe nécessairement par une analyse poussée des propriétés de l'interface qu'ils forment. Nous présentons dans notre étude une caractérisation fine des différentes propriétés de l'interface TiN/Ta2O5 ainsi que leur impact sur les performances de la capacité MIM 5fF. Mm-2. Nous étudions dans un premier temps l'effet de la rugosité des interfaces sur les caractéristiques courant-tension de la capacité MIM. Des simulations « in situ » du champ électrique établi dans ce dispositif indiquent alors que la topographie propre à chaque interface peut conduire à des caractéristiques électriques asymétriques. Notre analyse porte ensuite sur les phénomènes fondamentaux qui gouvernent la valeur du travail de sortie des couches métalliques. Cette analyse nécessite l'utilisation d'une technique de microscopie électrique à sonde locale (KFM) qui permet notamment d'observer l'impact de la cristallinité des films sur leurs travaux de sortie. Enfin, l'effet de la composition chimique de l'interface TiN/Ta2O5 sur la hauteur de barrière est présenté. Cette étude, réalisée par spectroscopie de photoélectrons X et UV, permet de construire le diagramme de bande complet de la structure MIS TiN/Ta2O5/Si. On constate alors un décalage important des niveaux du vide aux différentes interfaces induit par la présence de dipôles.


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  • Titre traduit

    Study of the morphological, electrical and chemical properties of the metal/insulator interface and their impact on TiN/Ta2O5/TiN capacitors performances


  • Résumé

    Current scaling trend in microelectronic involves the introduction of metals and high-k dielectrics in MOS transistors and MIM capacitors manufacturing in order to maintain their electrical performances. Nevertheless, the integration of these materials must deal with some physical phenomena localized at the metal/insulator interface that can degrade the devices performances. As a result, the choice of materials cannot be done on the simple consideration of their intrinsic properties and necessarily passes by a careful analysis of the properties of the interface formed. We present in this study fine characterizations of the TiN/Ta2O5 interface properties as well as their impact on the performances of the MIM 5fF. Mm-2 capacitor. We first present the impact of interfaces roughness on leakage-current characteristics of MIM capacitors. “In situ” simulations of the electric field in the device indicate that each interface topography can lead to asymmetrical MIM electrical behavior. Next, our analysis treats the fundamental properties which control metal layers work function. This study requires the use of a local probe (KFM) which allows to characterize the impact of metal films crystallography on work function. Finally, the effect on the barrier height of the TiN/Ta2O5 interface chemistry is presented. This study, carried out by X-ray and UV-ray photoelectrons spectroscopy, provides the complete band diagram of the TiN/Ta2O5/Si MIS structure. We report here large shifts of the vacuum level induced by dipoles at both the Si/Ta2O5 and Ta2O5/TiN interfaces.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (X-196 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 185-192

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TS06/GRE1/0250
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS06/GRE1/0250/D
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