Etude et modélisation de la topographie des couches minces de Ta2O5 déposées par MOCVD dans des structures tridimensionnelles : applications aux capacités tranchées

par Luc Pinzelli

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Yves Bréchet et de Fabien Volpi.

Soutenue en 2006

à Grenoble, INPG .


  • Résumé

    La diminution des dimensions des circuits en microélectronique ainsi que la multiplication des applications intégrées sur les puces ont conduit à l'utilisation de condensateurs Métal-Isolant-Métal (MIM) ayant des densités de capacité de plus en plus grande. L'augmentation de la densité de capacité peut se faire en utilisant des diélectriques ayant des constantes diélectriques élevées remplaçant les diélectriques conventionnels (SiOzSi3N4). Le diélectrique choisi est le TazOs (ɛr=25). Cependant les valeurs de densité de capacité avec ce type de diélectrique restent plafonnées 5fF. μm-2 notamment car on ne peut diminuer l'épaisseur du diélectrique pour cause de courants de fuite importants. Pour aller vers les densités de capacité encore plus importantes une solution de type architectural est alors proposée. Il s'agit d'intégrer l'empilement MIM dans des tranchées d'augmenter la surface du condensateur sans pour autant augmenter la surface occupée sur le circuit. La garantie d'un bon recouvrement des parois de la tranchée est alors un point clef pour garantir une valeur de capacité stable. Le recouvrement est séparé en deux phénomènes. La conformité, liée à la tranchée seule, correspond à la différence entre la vitesse de dépôt en haut et en bas de la tranchée. L'appauvrissement, liée au fait qu'un condensateur est constitué d'un grand nombre de tranchées, correspond à la différence de vitesse de dépôt en haut des tranchées et le dépôt planaire en l'absence de tranchées. Le but de cette étude a été d'étudier les possibilités de la méthode MOCVD pour déposer du TazOs dans ce type de structures pour garantir une conformité élevée et un appauvrissement faible. Ce travail a commencé par l'étude de la méthode de dépôt. Nous avons évalué l'Influence des différents paramètres de procédé sur la cinétique de dépôt. Nous nous sommes également intéressés au comportement du précurseur organométallique dans la phase gazeuse. Nous avons ensuite modélisé la conformité dans une tranchée isolée afin de connaître l'influence des paramètres de dépôt sur celle-ci. Nous avons utilisé une méthode analytique basée sur les lois de diffusion en considérant un coefficient de diffusion adapté dans les tranchées. Enfin, nous avons modélisé l'appauvrissement en utilisant les mêmes lois de diffusion en traitant les équations par des techniques de résolution en série de Fourier. Grâce à ces modèles, nous avons montré que la méthode MOCVD offrait de bons résultats de recouvrement pour des structures de faible densité mais que pour des tranchées plus denses il faudrait utiliser d'autres techniques de dépôt de diélectriques (ALD, PEALD).


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  • Titre traduit

    Topography study and modeling of TazOs thin layers deposited by MOCVD in three-dimensional structures - Trench capacitor applications


  • Résumé

    Microelectronic circuits' dimensions decreasing and integration of new applications on chip lead to the use of high density MIM capacitors. To increase the capacitance density, conventional insulators, such as SiO2 and Si3N4, are replaced by high-k dielectrics as Ta2O5 (k=25). With that dielectric material, the capacitance density value is leveled at 5fF. μm-2 due to the fact that we can not reduce the thickness of the dielectric because of leakage current problems. Thus, new architectural solutions are proposed to increase more the capacitance density. The MIM stack is then integrated in trenches in order to increase the capacitor surface without increasing the surface taken by the capacitor on the chip. One of the guaranties we have to give for that type of integration is a uniform recovering of the dielectric on the trench walls to have a stable capacitance. The dielectric recovering can be separated in two effects: the effect linked to the trench itself, wich is the deposition speed difference between the top and the bottom of the trench (the conformality), and the effect linked to the fact that capacitors are made of a lot of trenches, wich leads to a difference of deposition rate between the top of the trench and planar substrate (the loading). The aim of this study was to evaluate MOCVD possibilities for 3D integration. We started by studying the deposition method by analyzing the influence of process parameters on the disposition kinetic. Then, we studied the metal-organic precursior behavior in the gas phase. We have modeled the conformality using analytical method based on diffusion laws. Finally, the loading effect has been studued using the same kind of law but introducing Eigen method of solving. Thanks to that model, we proved that MOCVD is a good deposition method for capacitors with relativity small density but for high density capacitors with relatively small density but for high dendity capacitors, we should use other deposition method (ALD, PEALD).

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 151-159

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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/INPG/0191
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS06/INPG/0191/D
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