Elaboration et caractérisation de couches ferroélectriques pour la fabrication de transistors FeFET

Development and characterization of ferroelectric layers for the fabrication of FeFET transistors

• Auteur / Autrice : Ivane Bottala-Gambetta
• Direction : Elisabeth Blanquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, électrochimie, génie civil,
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Santinacci, Nicholas Barrett

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de hafnium

Transistors

Ferroélectricité

Mots clés libres

Ferroélectricité

Transistor

Couches minces

Transistor

Thin films

Ferroelectricity

Résumé

Le contexte de la thèse concerne le domaine de l’évolution des mémoires en microélectronique. Au lieu de s’intéresser à leur miniaturisation, il est ici question de remplacer l’oxyde de grille par un matériau ferroélectrique. L’intégration d’un tel matériau au niveau de l’oxyde de grille d’un transistor mémoire permet une faible consommation de ceux-ci résultant d’un basculement d’un état mémoire à l’autre grâce à un faible courant.Le caractère ferroélectrique de la phase orthorhombique de l’oxyde d’hafnium a été mis en évidence en 2011. Par ailleurs, ce matériau est déjà bien intégré en microélectronique pour ses propriétés high-k, ce qui en fait un sujet d’étude pertinent dans le cadre de cette thèse. La structure non-centrosymétrique de HfO2 visée pour observer l’effet ferroélectrique est la phase orthorhombique (groupe Pca21). Il est notamment possible d’élaborer des couches de HfO2 dopées et de mettre en œuvre un traitement thermique pour stabiliser cette phase au détriment de toutes les autres phases cristallines possibles du HfO2Pour confectionner des dépôts fins du matériau recherché, le procédé ALD (dépôt par couches atomiques) a été utilisé. En plus du contrôle précis de l’épaisseur, cette technique permet aisément l’insertion de dopants au sein du matériau et une favorisation de la stabilisation de certaines phases cristallines pour des conditions souhaitées. Ces travaux de thèse concernent essentiellement l’élaboration par ALD et la caractérisation de couches à base d’oxyde d’hafnium avec différents dopants, comme l’aluminium, le lanthane ou le silicium. Différentes proportions de dopage sont analysées, couplées à une certaine gamme de conditions de recuit post-dépôt dans le but de définir des conditions optimales pour atteindre un matériau à base de HfO2 majoritairement orthorhombique. Des tests électriques mettent en évidence le caractère ferroélectrique des couches les plus propices à être intégrées dans un transistor mémoire.

The context of the thesis concerns the field of memory evolution in microelectronics. Instead of being interested in their miniaturization, it is a question here of substituting the gate oxide by a ferroelectric material. The integration of such a material in the gate oxide of a memory transistor allows a low consumption of the latter resulting from a switch from one memory state to the other thanks to a low current.The ferroelectric character of the orthorhombic phase of hafnium oxide was demonstrated in 2011. Moreover, this material is already well integrated in microelectronics for its high-k properties, which makes it a relevant subject of study in this thesis. The non-centrosymmetric structure of HfO2 targeted to observe the ferroelectric effect is the orthorhombic phase (Pca21 group). It is possible to elaborate doped HfO2 layers and to implement a thermal treatment to stabilize this phase instead of all other possible crystalline phases of HfO2.The ALD (atomic layer deposition) process was used to produce thin films of the desired material. In addition to the precise control of the thickness, this technique easily allows the insertion of dopants within the material and a favourable stabilization of some crystalline phases for desired conditions. This thesis work mainly concerns the elaboration by ALD and the characterization of hafnium oxide-based layers with different dopants, such as aluminum, lanthanum or silicon. Different doping proportions are analyzed, coupled with a certain range of post-deposition annealing conditions in order to define optimal conditions to reach a predominantly orthorhombic HfO2 based material. Finally, electrical tests highlight the ferroelectric character of the most suitable layers to be integrated in a memory transistor.