Elaboration et caractérisation de structures métal-isolant-métal à base de TiO2 déposé par Atomic Layer Deposition

par John Pointet

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Ahmad Bsiesy.

Le président du jury était Etienne Gheeraert.

Le jury était composé de Ahmad Bsiesy.

Les rapporteurs étaient Antoine Goullet, Brice Gautier.


  • Résumé

    Les besoins de la microélectronique pour les condensateurs de type DRAM sont résumés dans la feuille de route ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Pour descendre en dessous du noeud technologique 22 nm, des performances électriques telles qu'une épaisseur d'oxyde équivalent (EOT) < 0.5 nm et un niveau de courant de fuite < 1.10-7 A/cm² à 0.8 V sont nécessaires. Ces performances sont difficiles à atteindre si l'on considère des oxydes standards largement utilisés tels que le SiO2, le Si3N4 ou l'Al2O3. Le dioxyde de Titane constitue un matériau diélectrique de choix pour ce type d'application si l'on considère sa forte constante diélectrique, la plus haute des oxydes binaires. Selon les conditions de croissance de la couche de TiO2, celle-ci peut se présenter sous forme amorphe ou posséder une structure cristalline appelé phase anatase ou phase rutile. Cette dernière présente une très forte constante diélectrique (90 à 170 selon l'orientation de la maille cristalline) et en fait un atout indéniable pour le développement de condensateur DRAM. Toutefois, cette phase rutile est aussi à l'origine d'un fort courant de fuite mesuré à partir des structures Métal - Isolant - Métal (MIM) associées. De ce fait, il est primordial de savoir contrôler ces courants de fuite tout en gardant la forte valeur de constante diélectrique de la phase rutile. Dans ce travail, nous proposons de travailler sur la croissance des couches minces de TiO2 intégrées dans des structures MIM et déposées sur des substrats différents tels que des électrodes de RuO2/Ru ou de Pt. La technique de dépôt employée pour les couches minces de TiO2 est la technique ALD pour son contrôle très précis de l'épaisseur déposée et sa souplesse d'utilisation pour ce type d'applications. Les propriétés physico-chimiques des couches de TiO2 et l'influence du substrat sur ces propriétés sont analysées. Des compositions différentes de diélectriques sont élaborées au moyen de la technique de dépôt par ALD et notamment des couches minces de TiO2 dopés à l'aluminium. Les propriétés électriques de ces couches sont étudiées afin de déterminer les performances électriques des structures MIM associées en termes de courant de fuite et de densité capacitive.

  • Titre traduit

    Development and study of metal-insulator-metal structure consisted of TiO2 deposited by Atomic Layer Deposition


  • Résumé

    The requirements for future dynamic random access memory (DRAM) capacitors are summarized in the International Technology Roadmap for Semiconductors. For sub-22 nm node, performances like equivalent oxide thickness (EOT) < 0.5 nm and leakage current density < 1.10-7 A/cm² at 0.8 V are required but are difficult to meet. Titanium dioxide (TiO2) is an attractive dielectric material for such application regarding its high dielectric constant (k). Depending on its growth conditions, TiO2 can be prepared in amorphous, anatase or rutile phase. From the structural point of view, it is generally preferred that TiO2 remains amorphous throughout a complete technological process to minimize leakage transport along grain boundaries. However, the rutile phase exhibits very high dielectric constant ranging from 90 to 170, depending on the lattice orientation. Due to this high dielectric constant, TiO2 rutile phase is considered as a promising material for capacitors in future generations of Dynamic Random Access Memories (DRAMs). A key issue is how to control the high leakage current of rutile phase while keeping the highest dielectric constant in order to get the best electrical performances. In this work, we investigate the growth of high dielectric constant rutile TiO2 films in Metal - Insulator - Metal (MIM) structures deposited on different substrates such as RuO2/Ru or Pt electrodes using ALD (Atomic Layer Deposition). A study of physico-chemical properties of TiO2 layer and influence of bottom electrodes on TiO2's crystalline structure is proposed. Different compositions of dielectrics are processed using flexibility of ALD deposition technique, including Al-doped TiO2 layers and pure TiO2 layers. Electrical properties in terms of leakage current or capacitance density of MIM structures embedding that kind of dielectrics and comparison between these MIM structures in terms of electrical performances is proposed in order to determine the best dielectric film composition to meet the requirements for next generation of DRAM capacitors.


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