Elaboration par PE-MOCVD à injection pulsée et caractérisation de matériaux à forte permittivité de type multicouches ou alliées pour des appliations capacités MIM

par Maurice Kahn

Thèse de doctorat en Micro et nano-électronique

Sous la direction de Thierry Baron et de Catherine Dubourdieu.

Soutenue en 2008

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

mots clés

• Microélectronique
• Oxyde d'yttrium
• Couches minces

Résumé

Avec l'augmentation accrue du nombre de fonctions embarquées directement au dessus du circuit intégrés, les capacités Métal Isolant Métal (MIM) sont devenues des composants essentiels en microélectronique. Pour permettre une augmentation de la densité d'intégration des composants, des matériaux à forte permittivité ou high κ sont utilisés comme diélectriques. Cet isolant doit satisfaire plusieurs critères: une forte valeur de capacité surfacique, de faibles courants de fuite ainsi qu'une très bonne stabilité de la capacité surfacique avec la tension appliquée (linéarité en tension). Cependant, aucun n'est parvenu à satisfaire tous les critères, ce qui nécessite d'autres approches comme l'utilisation d'oxyde en structures multicouches ou alliées. De plus, la linéarité en tension des capacités est mal maîtrisée et son origine mal comprise. Ainsi, nous avons tout d'abord étudié le rôle du matériau d'électrode (TiN, Pt, WSi2,3 et WSi2,7) et de son interface avec l'oxyde d'yttrium déposé par MOCVD avec ou sans assistance plasma sur les performances électriques. On observe une dépendance de la linéarité en tension selon le matériau d'électrode utilisée. Un modèle double couche a été proposé pour décrire la non linéarité des capacités MIM en tension. Puis, différentes structures bicouches, multicouches ou alliées ont été étudiées (LaAlO3/Y2O3, structures à base de HfO2 et Al2O3, SrTiO3/Y2O3). Les bicouches SrTiO3/Y2O3 ont permis l'obtention d'une valeur de capacité surfacique de 10 fF/µm² et de minimiser la non-linéarité (paramètre α de -750 ppm/V²).

Titre traduit

Elaboration by pulsed injection PEMOCVD and characterization of higk κ dielectrics in multilayer or mixed structures for MIM capacitors applications

Résumé

Because of increasing number of embedded functions in silicon integrated circuits (ICs), Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors become more and more essential devices in microelectronics. To increasing the integration density of devices, high κ material must be used as dielectric. This insulator has to fulfill several requirements such as a high capacitance density, low leakage currents and minimum variation of capacitance values with the voltage bias (so-call the capacitance linearity). However, none can fulfill all the requirements. Therefore, others way shall be study such as oxides in nanolaminates or mixed structures. Moreover, the voltage linearity is badly controlled and its origin misunderstood. Thus, we studied the role of the electrode material (TiN, Pt, WSi2,3 et WSi2,7) and its interface with the yttrium oxide deposited by MOCVD with or without plasma enhanced on electric properties. We notice that the voltage linearity depends on the electrode material used. A double layer model was suggested to describe the MIM capacitance voltage linearity. Then, different bilayers, multilayers and mixed structures was studied (LaAlO3/Y2O3, structures base on HfO2 and Al2O3, SrTiO3/Y2O3). SrTiO3/Y2O3 bilayer structures allowed to obtain a capacitance density of 10 fF/µm² and to minimize the voltage linearity (a quadratic parameter α of -750 ppm/V²).