Étude de la fiabilité de capacités Métal-Isolant-Métal Intégrées utilisant des diélectriques à fortes permittivité

• Auteur / Autrice : Vincent Martinez-Llorca
• Direction : Gérard Ghibaudo, Laurent Montès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction électrique

Permittivité

Diélectriques

Fiabilité

Résumé

Les capacités Métal-Isolant-Métal (MIM) sont utilisées dans les circuits intégrés pour de multiples applications analogiques et radiofréquences, ainsi que pour diverses fonctions telles que le découplage ou les mémoires. A l’instar des transistors, leur densité d’intégration doit croître continuellement afin de permettre la complexification des fonctions réalisées. Pour ce faire, des matériaux à forte permittivité (appelés « High-K ») ont fait leurs apparitions comme l’oxyde de tantale Ta2O5. Cependant, leur introduction en tant que diélectrique des composants MIM a été le point de départ de comportements électriques originaux : mécanisme physique de conduction inconnu, influence des géométries du dispositif sur le courant de fuite et instabilité temporelle de celui-ci. Grâce à une étude menée sur des structures dédiées et en développant de nouvelles méthodologies d’analyse, il a été montré que le mécanisme de conduction était limité par la charge d’espace (SCLC). Les pièges modulant le courant ont été identifiés comme étant les lacunes d’oxygène présentes dans le diélectrique. Il a également été démontré que la localisation spatiale de celles-ci jouait un rôle prépondérant sur la conduction mais également sur la fiabilité de ces dispositifs. De plus, en utilisant un ‘thermomètre intégré’, nous avons mis en évidence un auto-échauffement des capacités dû aux fortes puissances dissipées lors des contraintes accélérées. La modélisation de ces effets a permis de développer des structures appropriées aux études de fiabilité. La connaissance de tous ces phénomènes a apporté rapidité et efficacité dans les campagnes de test de ces composants, ainsi qu’une meilleure appréhension des changements d’architecture et de matériaux des futures générations.

The use of Ta20s in MIM devices has been the starting point of original electric behaviours: unknown physical conduction mechanism, impact of the ( geometry on the leakage current, and instabilities. Thanks to a study on dedicated structures and developing new analysis methodologies, it has been s that conduction mechanism is space charge limited (SCLC). Traps modulating the current have been identified as the oxygen vacancies in the dielect has also been demonstrated that the spatial location of these traps play a preponderant role on the conduction and also on the reliability of su ch de Finally, using an 'integrated thermometer', we highlight self-heating event of capacitors, due to high dissipated power during accelerated stress.