Caractérisation d'oxydes cristallins à haute permittivité (LaAIO3, SrTiO3) en vue d'une intégration en microélectronique

High-K crystalline dielectric (LaAlO3, SrTiO3) characterization for integration in microelectronic applications

• Auteur / Autrice : Yoann Rozier
• Direction : Frédérique Ducroquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique. Dispositifs de l'électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Lyon, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Permittivité

Oxydes

Diélectriques

Résumé

La miniaturisation continue des composants microélectroniques nécessitera de disposer, à court terme, d'isolants alternatifs au SiO2. Le remplacement de la silice par un matériau high-K disposant d'une constante diélectrique plus élevée permet de repousser les limites fondamentales de l'intégration et en particulier de limiter les courants de fuite traversant les dispositifs. Les solutions industrielles à court terme sont basées sur la mise en œuvre d'oxydes amorphes comme les oxynitrures de silicium ou les silicates d'hafnium. Ce choix impose quelques limitations du point de vue de la stabilité thermodynamique, des propriétés électriques finales … En particulier, la recherche d'épaisseurs équivalentes électriques ultimes est considérée comme un des verrous technologiques les plus importants. A plus long terme, l'intégration d'oxydes high-K ternaires, éventuellement sous forme épitaxiée, devrait constituer une réponse à cette problématique. Devant ce constat, nous avons orienté notre travail autour du développement des propriétés électriques et physicochimiques de deux isolants amonts en film mince (5 – 80 nm) associés à deux méthodes d'élaboration : LaAlO3 (ɛLaAlO3=25) élaboré par épitaxie par jets moléculaires (MBE) et SrTiO3 (ɛSrTiO3=340) déposé par voie chimique depuis l’utilisation de précurseurs organométalliques en phase vapeur (MOCVD) à injection. Dans le cas du LaAlO3, les caractéristiques électriques les plus favorables ont été obtenues dans le cas d’un dépôt amorphe. Dans ces conditions, le film interfacial est évalué à 0,5 nm et la permittivité du volume à ɛLaAlO3=12,5, résultats comparables à l’état de l’art. Différentes stratégies de dépôts et de traitements ex-situ ont été envisagées afin de minimiser l’impact des charges présentes dans les premiers nanomètres du film. Nous montrons que les propriétés électriques des couches polycristallines de SrTiO3 dépendent fortement de l’épaisseur, de la cristallinité et de la composition. La présence d’un bicouche de SiO2 (2-2,5 nm) et de silicate de strontium (2,5-4,0 nm) à l'interface pénalise la permittivité de l’ensemble (ɛfilm=45-50 pour 80 nm), Enfin, nous avons mis en évidence par microscopie à force atomique (AFM) une conduction hétérogène sur la surface des couches polycristallines. Dans le cas du SrTiO3, la conduction est dominée par le grain. Un traitement ex-situ oxydant permet de minimiser le courant de fuite dans la partie cristalline.

Continuous scaling of micro-electronics components will require integrating, in short-term, alternative insulating films to SiO2. The replacement of traditional silica by a dielectric with a higher permittivity (high-K) allows pushing back the fundamental limits of integration and reduces leakage currents vertically flowing through transistors. Short to middle-term industrial choices are based onto integration of amorphous material like silicon oxynitride or hafnium silicates based oxides. Considering some key guidelines like thermodynamic stability or electrical properties these choices clearly lead to some limitations. Particularly, the research of ultimate electric equivalent thicknesses is considered as one of the most important crucial point. For future CMOS technology nodes, ternary materials systems, through an epitaxial approach, currently offer the most promise toward the ultimate goal of integrating a gate dielectric. Therefore, this thesis work is based on the development of electrical and physical properties of two insulators: LaAlO3 (ɛLaAlO3=25) deposited with Molecular Beam Epitaxy (MBE) approach and SrTiO3 (ɛSrTiO3=340) deposited with liquid injection MetalOrganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) equipment. In the case of LaAlO3, amorphous films lead to the best electrical characteristics. We have obtained a bulk permittivity of ɛLaAlO3=12. 5 with only 0. 5nm of interfacial thickness. This result is comparable to the state of the art. Various strategies of deposition and ex-situ treatments were tested in order to minimize the impact of the charges present in the first nanometers. As for SrTiO3, we have shown that electrical properties of polycrystalline stacks strongly depend on the thickness, on crystallinity and on composition. The presence of two interfacial stacks, 2-2. 5 nm of silica and 2. 5-4. 0 nm of a strontium silicate, strongly penalizes the global permittivity (ɛfilm=45-50 for 80 nm). Finally, we highlighted through Atomic Force Microscopy (AFM) acquisitions heterogeneous conduction on the surface of polycrystalline films. Leakage is dominated by conduction through grains in SrTiO3 deposited films. Ex-situ treatments in oxidizing atmosphere could lower leakage current in the crystalline part.