Etude de capacités MIM à base de STO et BTO

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Tension continue et courants de fuite

Lorsqu’on applique une tension continue aux bornes d’un condensateur, des courants de fuite apparaissent. Ces courants de fuite sont causés par différents types de défauts liés au diélectrique lui-même ou à la structure du composant réalisé, qui vont permettre le passage d’électrons. En cherchant l’origine des courants de fuite, les imperfections du condensateur peuvent ainsi être déterminées.
Les courants de fuite dans un condensateur peuvent être principalement liés aux phénomènes de conduction suivant :
• L’émission thermoélectronique ou effet Schottky (voie 1 de la Figure 1-10) : des porteurs de charge sont injectés depuis l’électrodemétallique dans le diélectrique en passant au-dessus de la barrière de potentiel résultant del’interface métal/diélectrique.
• Le courant tunnel ou effet Fowler-Nordheim (voie 2 et 3 de la Figure 1-10) : il s’agit d’un effet quantique qui autorise un électron à franchir une barrière de potentiel supérieure à son énergie. Les porteurs de charge se propagent d’une armature à l’autre du condensateur à travers le diélectrique.
• L’effet Poole-Frenkel (Figure 1-11) : ce mécanisme dépend de la densité de défauts (pièges) présents dans le diélectrique. Les électrons se propagent par sauts entre états localisés dans la bande interdite du diélectrique. Ces étatslocalisés sont supposés être des centres ionisés (donneurs d’électrons). Cet effet résulte edl’abaissement de l’énergie d’ionisation Ei de ces centres avec l’application d’un champ électrique.
• La limitation par charge d’espace : elle intervient lorsque le taux d’injection des porteurs à l’interface métal/diélectrique est supérieur au taux maximum de transfert de ces charges dans le diélectrique. Il y a alors créationd’une zone de charge d’espace qui s’oppose à l’injection de nouveaux porteurs.
Les deux premiers mécanismes sont contrôlés par l’interface métal/diélectrique alors que dans les deux autres mécanismes, la conduction est contrôlée par le volume du diélectrique.

Avantages et contraintes de la capacité MIM

Avantages

Les électrodes métalliques présentent une résistivité très inférieure à celle du silicium ou du polysilicium, ce qui permet la diminution des résistances d’accès.
De plus, la capacité est empilable : elle peut se trouver au-dessus des composants actifs, deux capacités MIM peuvent être réalisées à deux niveauxde métal différents et être associées en parallèle. Ce type d’architecture permet un gain de place important.
Enfin, sa position permet de diminuer les capacitésparasites par rapport au substrat.

Contrainte

Une des contraintes majeures de la capacité MIM est une contrainte d’intégration. L’élaboration de la capacité arrive en fin de procédé d’intégration, le budget thermique lui étant alloué est donc limité afin d’éviter la dégradation des composants et interconnexions des niveaux précédents. Les températures d’élaboration(dépôt et recuit) ne doivent donc pas dépasser 400°C (dégradation de l’aluminium et du cuivre).

Les solutions de remplacement

Problématique

En ce qui concerne les technologies avancées, on recherche une augmentation de la capacité en préservant les caractéristiques analogiques et adiofréquences aussi proches que possible des spécifications actuelles.
Pour augmenter la capacité, d’après l’équation 1-11, trois solutions sont possibles :
• Diminuer l’épaisseur de diélectrique,
• Augmenter la surface de la capacité,
• Augmenter la constante diélectrique.
La diminution de l’épaisseur de diélectrique provoque une augmentation importante des courants de fuite et pose un problème de fiabilité et de défectivité pour des épaisseurs inférieures à 200 Å dans le cas des oxydes et nitru res de silicium.
Il faut donc se tourner vers la deuxième solution en utilisant des procédés de fabrication de capacité en tranchées ou vers la troisième solutionen changeant de matériau diélectrique et en prenant des isolants possédant une permittivité relative plus élevée que SiO et Si N , ce qui permet de conserver une épaisseur de diélectrique on critique.
Nous nous intéressons dans cette étude à la troisième solution.

Propriétés requises pour les applications en microélectronique

Ce paragraphe présente les critères que doivent remplir les candidats au remplacement du SiO2 [14].

Constante diélectrique

Ils doivent tout d’abord avoir une constante diélectrique plus élevée que SiO comme il a déjà été dit précédemment. Le Tableau 1-2 présente lesaleursv de constante diélectrique de quelques candidats au remplacement du SiO2.

Hauteur de barrière

La permittivité doit être mise en balance avec la auteurh de barrière entre le diélectrique et le métal pour éviter les courants de fuite. Il faut que l’écart entre la bande de conduction (valence) du diélectrique et celle du métal soit leplus élevé possible de manière à empêcher le passage des électrons.

Stabilité thermodynamique

Il est également important que le diélectrique soitstable thermodynamiquement, c’est-à-dire qu’il réagisse le moins possible avec les électrodes. C’est souvent un facteur déterminant pour les propriétés électriques globales. En effet si diélectrique réagit avec l’électrode, il peut se créer une couche isolante dont la permittivité estinférieure à celle du matériau high-k, diminuant ainsi les performances du diélectrique [15]. Lorsqu’une structure possède plusieurs diélectriques en série, c’est la couche de plus faible capacité qui domine la capacité totale de la structure. L’optimisation du couple métal/isolan est donc primordiale dans l’étude d’une structure MIM.

Morphologie du film

Utiliser un diélectrique sous forme amorphe plutôt que cristalline permet de diminuer les courants de fuite. En effet, les joints de grains présents dans les films polycristallins représentent un chemin préférentiel pour les courants de fuites.
Toutefois les matériaux cristallins présentent desconstantes diélectriques plus élevées que les amorphes : le Ta2O5 cristallisé présente une constante diélectrique deux fois plus élevée que sa forme amorphe.

Les matériaux high-k

De nombreuses études sur les capacités MIM ont étéréalisées afin de développer de nouveaux matériaux pour remplacer le SiO à commencer par le nitrure de silicium (Si N ) [16] qui Beaucoup d’autres matériaux high-k sont également étudiés en structure MIM afin d’augmenter la densité de capacité surfacique des dispositifs : Ta2O5 [17,18,19], Al2O3 [20,23], Y2O3 [11], Pr2O3 [22], ZrO2 [23], HfO2 [24,25,26], SrTiO3, BaTiO3.
Toutefois des efforts restent souvent à faire au ni veau des autres caractéristiques requises pour une structure MIM, principalement en terme de courant de fuite et de linéarité en tension.
Le Tableau 1-3, non exhaustif, présente diverses études sur ces matériaux high-k en tant qu’isolant dans des structures MIM. Les études sur les capacités MIM à base de SrTiO3 et BaTiO3 seront présentées dans le chapitre 2.
A l’exception d’une étude [18], tous les résultatsprésentés dans ce tableau sont obtenus dans des conditions de température compatibles avec les procédésAbove IC : les températures d’élaboration se situent entre 200°C et 450°C. Dans leur étude de capacités MIM à base de Ta2O5 par MOSD (procédé chimique en phase liquide prochedu procédé sol-gel présenté dans le chapitre 2), Joshi et Cole [18] font état d’une température d’élaboration de 750°C ; Il s’agit de la température du recuit de cristallisation. En effet, dans ce cas le Ta2O5 est cristallisé, ce qui explique sa forte valeur de constante diélectrique de l’ordre de 50, deux fois plus élevée que les valeurs habituellement observéepour lesquelles le Ta2O5 est amorphe [17, 19, 27].

Considérations cristallographiques

BaTiO3

La température de Curie du BTO, qui marque la transition entre la phase paraélectrique et la phase ferroélectrique, est de 120°C. Au-dessus de cette température le BTO est paraélectrique et présente la phase non polaire cubique (a = 4,009 Å) de groupe d’espace Pm3m, centrosymétrique et non-piézoélectrique.

En dessous de cette température le BTO est ferroélectrique et présente une phase polaire quadratique (a = 3,992 Å et c = 4,032 Å) de groupe d’espace P4mm, stable jusqu’à 5°C. L’axe 4 de rotation est donc la direction polaire, identifié à l’axe quadratique c de la maille cristalline. La direction de polarisation est parallèle à la direction <100> du cube de départ. Comme il existe six axes <100> équivalents dans la phase cubique, l’axe polaire peut être parallèle à n’importe laquelle de ces six direction s équivalentes. La maille quadratique résulte de l’élongation d’un axe du cube de départ pour devenir l’axe c, les deux autres axes étant comprimés. C’est le décalage de l’atome de Ti dansl’octaèdre d’O qui donne naissance à une polarisation spontanée. Cette polarisation peut être inversée par l’application d’un champ électrique.

En dessous de 5°C, une nouvelle phase apparaît, présentant une symétrie orthorhombique de groupe d’espace Pmm. Cette phase résulte de la distorsion du cube de départ qui consiste en une élongation d’une des diagonales de face du cube devenant la direction orthorhombique polaire a et en une compression d’une autre diagonale de face devenant la direction orthorhombique b. Cette phase est également ferroélectrique mais la direction de la polarisation spontanée est parallèle à la direction <110> du cube d’origine. Là encore, comme il y a douze directions <110> équivalentes dans la phase cubique, il y a douze directions de polarisation spontanée possibles dans la phase orthorhombique.

Enfin à -90°C, une troisième transition de phase a lieu et le BTO présente une phase rhomboédrique de groupe d’espace P3m en dessous de –90°C. L’axe polaire est alors situé le long de l’axe <111> du cube de départ. Cette distorsion rhomboédrique consiste en une élongation du cube le long d’une diagonale principale. La maille cubique présentant huit axes <111> équivalents, il existe autant de directions de polarisation possibles dans la phase rhomboédrique.

SrTiO3

La structure de SrTiO3 est de type pérovskite cubique de groupe d’espace Pm3m et de paramètre de maille a = 3,905 Å. Elle est considérée comme idéale car elle ne présente pas de déformation dans les conditions normales de température et de pression. Le STO est paraélectrique à température ambiante. C’est un feroélectrique « incipient » (naissant) avec une température de Curie T extrapolée aux alentours de 35 K. En effet la transition ferroélectrique n’apparaît pas dans les conditions normales de pression à cause de fluctuations quantiques [2,3]. Il ne présente pas de boucle d’hystérésis même à très basse température, mais la transition ferroélectrique peut-être induite par l’introduction d’un dopant [4] ou de contraintes [5]

Vers 110 K SrTiO3 connaît une transition non ferroélectrique de la phase cubique vers une phase quadratique [6]. Il s’agit d’une transition d u deuxième ordre et la distorsion est très faible (c/a = 1,0005). Cette transition est corrélée avec une rotation des octaèdres d’oxygène les uns par rapport aux autres [7] (Figure 2-4).

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Problématique
1. Historique – Evolution de la microélectronique
1.1. Avancée de la microélectronique : loi de Moore
1.2. Transistor MOS : remplacement de l’oxyde de grille
1.3. Le problème des composants passifs
1.4. L’évolution des approches
2. La capacité MIM (Métal/Isolant/Métal)
2.1. Définitions
2.2. Applications
2.3. Les caractéristiques requises
2.4. Avantages et contraintes de la capacité MIM
3. Les solutions de remplacement
3.1. Problématique
3.2. Propriétés requises pour les applications en microélectronique
3.3. Les matériaux high-k
3.4. Les multicouches
4. Conclusion – intérêt de l’étude
Bibliographie
Chapitre 2 : Elaboration de films minces de STO et BTO
1. Les pérovskites : STO et BTO
1.1. Classification des cristaux
1.2. La structure pérovskite
1.3. Considérations cristallographiques
2. STO et BTO : comportement et applications
2.1. Comportement électrique
2.2. Applications
2.3. Etat de l’art des MIM STO et BTO
3. Les différentes techniques d’élaboration
3.1. Introduction
3.2. Les techniques chimiques
3.3. Les techniques physiques
4. La pulvérisation par faisceau d’ions
4.1. Généralités
4.2. Les sources d’ions
4.3. Procédé de dépôt
5. Réalisation des capacités MIM
5.1. L’empilement
5.2. Elaboration de l’électrode supérieure et définition du condensateur
5.3. Recuit de cristallisation
6. Conclusion du chapitre
Bibliographie
Chapitre 3 : Etude de capacités MIM à base de STO et BTO
1. Mise en place d’un plan d’expériences
1.1. Introduction
1.2. Identification des paramètres et domaines d’étude
1.3. Description des plans d’expériences
1.4. Choix des réponses et techniques d’analyses
2. BaTiO3
2.1. Mesure d’épaisseurs
2.2. Tests électriques
2.3. Analyse avec le logiciel LUMIERE® : effet des paramètres sur la constante diélectrique
2.4. Analyse avec le logiciel LUMIERE® : effet des paramètres sur la température de transition
2.5. Analyses complémentaires
2.6. Conclusions du plan d’expériences sur l’optimisation du BTO
3. SrTiO3
3.1. Mesure d’épaisseurs
3.2. Tests électriques
3.3. Analyse avec le logiciel LUMIERE® : effet des paramètres sur la constante diélectrique
3.4. Analyse avec le logiciel LUMIERE® : effet des paramètres sur la température de transition
3.5. Analyses complémentaires.
3.6. Conclusion du plan d’expériences sur l’optimisation du STO
4. Conclusion du chapitre
Chapitre 4 : Lien entre structure cristallographique et propriétés électriques
1. Analyse des courbes εr = f(Trecuit) : cas du STO
1.1. Etude préliminaire
1.2. Spectrométrie EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) : « Structure Fine d’Absorption X après seuil »
1.3. Réflectométrie de rayons X
1.4. Discussion – Conclusion
2. Effet des contraintes dans le plan sur la constante diélectrique du BTO..
2.1. Modèle de Pertsev
2.2. Conditions expérimentales
2.3. Caractérisation cristallographique
2.4. Conclusion
3. Conclusion du chapitre
Bibliographie
Chapitre 5 : Influence du procédé d’élaboration des capacités sur leurs performances
1. Influence de l’épaisseur de diélectrique sur les caractéristiques électriques
1.1. Capacité surfacique et constante diélectrique
1.2. Courant de fuite
1.3. Conclusion
2. Influence des électrodes
2.1. Préparation des échantillons.
2.2. C(V)
2.3. I(V)
2.4. Etudes des hauteurs de barrière
2.5. Conclusion
3. Influence du procédé d’élaboration des capacités MIM
3.1. Introduction
3.2. Présentation de la technologie 100 mm
3.3. Pourquoi une telle différence de constante diélectrique ?
3.4. Conclusion
4. Conclusion du chapitre
Bibliographie
Chapitre 6 : Capacités MIM STO/BTO
1. Etat de l’art
1.1. Intérêt des multicouches STO/BTO
1.2. Synthèse bibliographique
2. Elaboration des multicouches
2.1. Essais préliminaires
2.2. Réalisation des empilements
3. Caractérisation
3.1. Caractérisation physico-chimique
3.2. Caractérisation électrique
4. Microscopie électronique en transmission
4.1. Présentation
4.2. Echantillon amorphe
4.3. Echantillons cristallisés
5. Conclusion
Bibliographie