Caractérisation hyperfréquence et in-situ de diélectriques à permittivité élevée en vue de leur intégration dans des composants passifs en microélectronique avancée

par Thu Trang Vo

Thèse de doctorat en Optique et radiofréquences

Sous la direction de Bernard Flechet.

Soutenue en 2009

à l'Université Savoie Mont Blanc .


  • Résumé

    Les diélectriques jouent un rôle important dans le fonctionnement des composants en microélectronique. Ils sont omniprésents en tant que barrière diélectrique, isolant intermétallique entre les interconnexions, diélectrique de grille pour les transistors MOS ou isolant pour les composants passifs comme les condensateurs MIM. Cette intégration de composants passifs directement dans les puces est une vole très explorée parce qu'elle prolonge la course à la miniaturisation et à la réduction des coûts mais celle-ci doit s'effectuer avec des performances électriques des composants toujours plus élevées et à des fréquences de plus en plus grandes. Pour répondre à ces exigences, les diélectriques à faible permittivité sont remplacés par les diélectriques à permittivité élevée (εr entre 5 et 40), voire très élevée (εr>40) nommés respectivement « medium-k » et « high-k ». Les procédés d'élaboration de ces matériaux en couches très minces influencent leurs propriétés électriques et il en résulte la nécessité de les caractériser dans leur configuration réelle d'utilisation et sur une large bande de fréquence du fait des applications visées. Ces travaux de thèse présentent la méthode de caractérisation hyperfréquence et in-situ développée pour extraire la permittivité complexe des diélectriques. Elle est applicable sur une large bande de fréquences, de quelques MHz à plusieurs dizaines de GHz. Plusieurs configurations de structures de test ont été étudiées afin d'optimiser la précision de cette extraction large bande. Elles ont été classées en deux familles : des structures utilisant des phénomènes de propagation et des structures localisées de type capacitif, chacune étant elle-même divisée en plusieurs catégories adaptée aux différents types de procédés de réalisation des matériaux. Plusieurs diélectriques ont été étudiés, en allant des oxydes de type HfO2 ou ZrO2 aux pérovskites de type SrTiO3 ou PbZrTiO3, et cela sur une large gamme d'épaisseurs, de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres. Des techniques de calibrage hyperfréquence et d'optimisation ont été proposées afin de permettre une extraction précise des pertes diélectriques. Une part importante des travaux a aussi consisté à mener ces caractérisations hyperfréquences de la permittivité en fonction de la température et sous la contrainte d'un champ électrique statique afin de comprendre les phénomènes physiques rencontrés et en vue d'une application pour réaliser des composants accordables.

  • Titre traduit

    In-situ microwave characterizations of high-k dielectrics for the integration in advanced microelectronic passive devices


  • Résumé

    Dielectrics play an important role in the operation of microelectronic devices. They are omnipresent as dielectric barriers, inter metal insulator between interconnects, dielectric gate for MOS transistors or insulator for passive devices and especially MIM capacitors. The integration of passive devices in microchips is a developed trend because it extends the race to miniaturization and cost reduction. However, this tendency must ensure that the performance of the electrical devices is always better especially at higher frequencies. To meet these requirements, it exists a trend of replacing the ordinary low-k dielectric by the novel medium-k (εr between 5 and 40) or high-k (εr>40). Nevertheless, the thin dielectric films are expected to exhibit different properties, due to the fabrication processes. As a result, it is crucial to characterize them in their real working configurations and for a large frequency bandwidth of the aimed application. This work presents an in-situ and high frequency characterization method to extract the complex permittivity of the medium-k and high-k dielectrics. It is valid for a large frequency bandwidth, from several megahertz to several gigahertzes. Many configurations of test structures are studied in order to optimize the accuracy of this large bandwidth extraction. They are classified in two families : structures using propagation phenomenon and capacitive lumped structures. Each one is then divided in many categories that fit for different dielectric fabrication processes. Many materials are studied : from medium-k such as HfO2 and ZrO2 to high-k such as SrTiO3 and PbZrTiO3. Their thicknesses vary in a wide range from tens to hundreds of nanometres. High frequency calibration and optimization techniques are proposed for an accurate extraction of dielectric losses. An important part of this work is the high frequency characterization of the permittivity as a function of temperature and applied DC electrical field which could help to reveal and explain many observed physical phenomena. Regarding to the application aspect, this study is promising especially for tunable components.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (154 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.143-151. Index

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