Etude de matériaux diélectriques pour l’intégration de capacités de haute densité / haute tension dans des structures 3D en silicium

par Aude Lefevre

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Ulricke Lüders.


  • Résumé

    Dans la course à la miniaturisation, les composants passifs tentent de suivre les transistors. Notamment, les condensateurs qui occupent environ 30% de la surface des circuits imprimés font l’objet de nombreuses études pour augmenter les densités de capacité mais sans dégrader leurs performances comme les fuites et les tensions de claquage. Plusieurs voies sont explorées : l’utilisation de l’épaisseur de silicium pour augmenter la surface utile des capacités, la diminution de l’épaisseur mais celle-ci affecte les fuites et la tension de claquage, le changement du diélectrique par un de plus forte permittivité. Mais, en général, les matériaux de fort εr montrent aussi des pertes plus importantes et des champs de claquage plus faibles. Il faut donc trouver un compromis entre l’épaisseur, la permittivité et le champ de claquage. Ce travail de thèse porte donc sur le développement de nouveaux matériaux à base d’oxydes binaires qui puissent combiner haute densité (> 500nF/mm²) et haute tension (> 10V) ainsi que leur intégration dans des structures 3D de fort rapport de forme 1:40. Les oxydes sont développés d’abord en planaire pour définir les meilleures combinaisons afin obtenir des capacités haute densité/haute tension. En parallèle, différentes techniques de dépôts CVD (Chemical Vapor Deposition) et ALD (Atomic Layer Deposition) sont évaluées pour optimiser la conformité des oxydes pour qu’ils puissent être intégrés dans des véhicules de test électriques 3D en simple MIM. Le meilleur compromis est finalement obtenu avec un multicouche de HfO2 et Al2O3 constituée de fines couches de 2 nm de chaque matériau. L’intégration dans un dispositif 3D en technologie MIMIM a permis de démontrer des capacités au-dessus de 500nF/mm² avec des tensions de claquage de 12V montrant de bonne stabilité en tension et en température.

  • Titre traduit

    Developments of dielectric materials for the realization of high density/high voltage capacitors integrated in 3D silicon structures


  • Résumé

    With the fast development of applications based on smart and miniaturized sensors in aerospace, medical or automotive domains, requirements on electronic modules are more and more linked to higher integration level and miniaturization (in order to increase the functionality combination and the complexity within a single package) and to higher performances. For the past few years, main improvements have been achieved by reducing the active part size and now developments are concentrated on the passive part. For example, discrete capacitors represent around 30% of circuit boards and they tend to be replace by integrate capacitors directly on silicon maintaining high performances (high value, low leakage, high breakdown). Several ways are possible: use the third dimension of silicon wafer by etching deep pores on the thickness and develop materials with higher dielectric constant. But, higher dielectric constant means also lower breakdown, so we have to develop new materials with a high k and high breakdown to realize high density/high voltage capacitors on 3D silicon. These materials based on binary oxides like HfO2, Al2O3 and ZrO2 are studied on planar devices to define the best compromise and in parallel, their deposition by chemical deposition like CVD or ALD in aggressive 3D structures with 1:40 aspect ratio is studied to ensure step coverage near 100%. Nanolaminates of HfO2 and Al2O3 are then successfully integrated in 3D test vehicles demonstrating performances as good as planar test vehicles. Moreover, a nanolaminate with thin layers of 2nm of HfO2 and Al2O3 reach capacitance density as high as 520nF/mm² with a breakdown voltage above 10V in a MIMIM 3D capacitor.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (172 f.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'en avril 2016
  • Annexes : Bibliogr. 178 ref. Index

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université de Caen Normandie. Bibliothèque Rosalind Franklin (Sciences-STAPS).
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TCAS-2014-66
  • Bibliothèque : Université de Caen Normandie. Bibliothèque Rosalind Franklin (Sciences-STAPS).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TCAS-2016-66bis
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