Optimization of physical chemistry of the Pt/Ru/PbZrTiO3 interface for future high capacitance density devices

par Ibrahima Gueye

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Nicholas Barrett et de Emmanuel Defaÿ.

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Nathalie Lemée, Olivier Renault.

Les rapporteurs étaient Lucian Pintilie, Brice Gautier.

  • Titre traduit

    Optimisation de la physico-chimie de l’interface Pt/Ru/PbZrTiO3 pour de futurs dispositifs à haute densité de capacité


  • Résumé

    Le besoin croissant d'intégration de nouvelles fonctions dans les futures générations de dispositifs portables contribue au surpeuplement des circuits imprimés. Dans ce contexte, la miniaturisation des composants discrets est impérative pour compenser l'augmentation de leur nombre et pour garder la taille des cartes de circuit imprimé gérable. L'un des composants les plus courants de ce type est le condensateur, qui peut être utilisé pour découpler une partie d'un réseau électrique d'un autre. Cependant, la miniaturisation des condensateurs nécessite une augmentation de leur densité de capacité, impliquant l'intégration de condensateurs haute densité. Le succès d'une telle intégration repose sur l'utilisation à la fois de matériaux à haute constante diélectrique et d'une architecture d'empilement. Dans ce contexte, les couches de titanate-zirconate de plomb (PZT) combinées aux piles multi-MIM sont de bons candidats pour la nouvelle génération de condensateurs. La technologie multi-MIM consiste à empiler deux ou plusieurs structures MIM en parallèle afin d'augmenter la densité de la capacité sans modification effective de la surface. Avec la géométrie multi-MIM, la performance de l'appareil est fortement affectée par la qualité de l'interface Métal/PZT, il est donc important d'élaborer une chimie d'interface qui ne dégrade pas les performances des multi-MIM.Cette thèse soutenue par le projet français «Programme de l'économie numérique des investissements d'Avenir » vise deux axes de développement pour l’améliorer de la qualité des interfaces Pt/Ru/PZT: la première concerne l'optimisation du contenu de Pb en excès dans la couche de PZT, tandis que le second étudie les effets du recuit de post métallisation (PMA).La première partie de la thèse est dédiée aux analyses de densité de capacité réalisées sur les condensateurs Pt/Ru/PZT/Pt en fonction de l'excès de précurseur du Pb dans les couches de PZT déposées par voie sol-gel (10, 15, 20 et 30% de Pb respectivement pour PZT10, PZT15, PZT20 et PZT30).Nous montrons qu'une augmentation de l'excès de Pb de 10 à 20% entraîne une augmentation de la constante diélectrique maximale (environ 8,8%), ainsi qu'une diminution de la tangente de perte (de 4,36 à 3,08%) et du champ de claquage (de 1,68 à 1,26MV/cm). La PMA favorise l'augmentation du maximum de constant diélectrique (jusqu'à 7,5%) et le champ de claquage augmente de 0.5 MV/cm.Ensuite, l'influence de la chimie de surface des PZT est étudiée en fonction de l'excès de précurseur de Pb. Cet excès de Pb permet de compenser l'évaporation du plomb pendant le traitement thermique successif. En utilisant la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS), nous montrons la présence d'une phase de surface ZrOx. Les faibles niveaux d'excès de Pb conduisent à la formation de nanostructures ZrOx à la surface de la couche de PZT. Un taux plus élevé en Pb favorise la disparition totale nanostructures ZrOx en surface.Enfin, nous avons sondé l'interface Pt/Ru/PZT en fonction de l'excès de Pb et de la PMA. La microscopie électronique en transmission (TEM) montre que les nanostructures de ZrOx sont présentes à l'interface du Ru/PZT10. Les nanostructures cristallines ZrOx pourraient former une couche non ferroélectrique et ainsi affecter la densité de capacité. L'analyse en mode operando (sous polarisation in situ) par XPS haute-énergie montre une réponse électronique dépendant de la polarisation appliquée, probablement grâce à l’écrantage imparfait du champ dépolarisant à l'interface Pt/Ru/PZT10. En outre, une nouvelle phase (PbOx) est observée au niveau Pt/Ru/PZT30, probablement liée à la quantité de Pb en excès dans le PZT30. Cette phase semble induire la diminution du champ de claquage et la densité de capacité observée au niveau du Pt/Ru/PZT30/Pt. Enfin, PMA sur le Pt/Ru/PZT10 montre la création d'alliage à base de ZrRuOx et PbRuOx qui pourrait être à l'origine de l'amélioration des réponses électriques des condensateurs PZT après PMA.


  • Résumé

    The growing need for the integration of an increasing number of functions into the new generation of portable devices contributes to overcrowding of printed circuit boards. In this context, the miniaturization of discrete components is imperative to maintain a manageable size of the printed circuit boards. Decoupling capacitors are one of the most important such discrete components. Miniaturization requires an increase of capacitance density, involving the integration of high-density capacitors. The success of such integration relies on the use of both high dielectric permittivity materials and a suitable stacking architecture. Lead zirconate titanate (PZT) in decoupling multiple metal-insulator-metal (multi-MIM) stacks is a good candidate for the new generation of integrated capacitors. The multi-MIM technology consists in stacking two or more PZT film-based MIM structures connected in parallel in order to increase the density of the capacitance without any effective surface area change. Device performance is heavily affected by the quality of the interface with the electrodes, so it is important to engineer interface chemistry which does not degrade the multi-MIM performance.This thesis, supported by the French “Programme de l’économie numérique des investissements d’Avenir” addresses two aspects of development aiming to improve the quality of the Pt/Ru/PZT interfaces: the first one concerns the optimization of Pb excess content in the PZT film, while the second one investigates the Post Metallization Annealing (PMA) done after deposition of electrode/PZT multilayer.The first part of the thesis presents the capacitance density analysis performed on Pt/Ru/PZT/Pt capacitors as a function of Pb excess in the sol-gel precursor solution (10, 15, 20 and 30% of excess Pb for PZT10, PZT15, PZT20 and PZT30, respectively). Pb excess compensates the lead evaporation during calcination.An increase of Pb excess from 10 to 20% leads to an increase of the maximum dielectric constant of 8.8%, a decrease of the loss tangent from 4.36 to 3.08% and breakdown field from 1.68 to 1.26MV/cm. PMA favors the enhancement of the maximum of dielectric constant by 7.5%, and the breakdown field increases to 0.5 MV/cm.The influence of the surface chemistry is studied as a function of Pb precursor excess. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) demonstrates that low level of Pb excess leads to the presence of a ZrOx surface phase in the form of nanostructures. Higher Pb precursor content allows the PZT synthesis to proceed to its end-point, fully consuming the ZrO2 precursor and eliminating the low dielectric constant ZrOx surface phase.We have then studied the Pt/Ru/PZT interface as a function of Pb excess and PMA. Transmission Electron Microscopy (TEM) cross-sectional analysis shows that the crystalline ZrOx nanostructures are still present at the electrode interface, constituting a dielectric layer which contributes to defining capacitor performance. Operando (under bias in situ) hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) analysis using synchrotron radiation highlights an electronic response dependent on the applied polarization, most probably due to imperfect screening of the depolarizing field at the Pt/Ru/PZT10 interface. Furthermore, a new phase (PbOx) is observed at the Pt/Ru/PZT30 due to the high Pb excess. This new phase seems to induce a reduction in breakdown field and capacitance density. Finally, PMA on the Pt/Ru/PZT10 suggests the creation of interface ZrRuOx and PbRuOx which could be at the origin of the improvement of electrical responses of PZT capacitors after PMA.In conclusion, this thesis has provided valuable information and methodology on the correlation between surface and interface physical chemistry of PZT and Pt/Ru/PZT and electric characteristics of PZT based MIM capacitors.


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