Les matériaux à forte permittivité pour les capacités MIM

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La capacité MIM (Métal/Isolant/Métal)

Définitions

Les capacités MIM sont des condensateurs plans constitués d’une couche isolante entre deux électrodes métalliques qui constituent les armatures du condensateur (Figure 1.4). Lorsque l’on applique une différence de potentiel V entre ces deux armatures, le conden-sateur se charge et il apparaît une charge Q = CV, où C est la capacité du condensateur.

La capacité de ce condensateur plan s’écrit : ǫrox · ǫ0 · S (1.4) eox Avec : ǫ0 la permittivité du vide, ǫrox la constante diélectrique relative du matériau, S la surface des électrodes en regard, et eox l’épaisseur de l’isolant.

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 par rapport aux capa-cités MIS. De plus, la capacité est empilable : elle peut se trouver au-dessus des composants actifs, deux capacités MIM peuvent être réalisées à deux niveaux de métal différents et être associées en parallèle. Ce type d’architecture permet un gain de place important. Enfin, sa position permet de diminuer les capacités parasites par rapport au substrat.

Contrainte

Une des contraintes majeures de la capacité MIM est une contrainte d’intégration. L’éla-boration 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 450°C (dégradation de l’aluminium et du cuivre des interconnexions).

Propriétés physiques

La polarisation →− est par définition le moment dipolaire par unité de volume : P −→Vn X n→− P =1qr n(1.5) −→ où V est le volume de la maille cristalline, rn est le vecteur position de la nime charge qn dans la maille cristalline. D’un point de vue macroscopique, la polarisation −→ d’un matériaulinéaire et isotrope est reliée au champ extérieur appliqué P

−→ et au déplacement électrique

−→ par les relations suivantes :E

où ǫr est la permittivité relative (ou constante diélectrique) du matériau et χ sa suscepti-bilité diélectrique (ǫr = 1 + χ).

Notons que pour un cristal non cubique, la réponse diélectrique est décrite par les composantes du tenseur de susceptibilité ou du tenseur de constante diélectique : −→ −→ Pµ = χµυǫ0Eυ et ǫµυ = 1 + χµυ

LA CAPACITÉ MIM (MÉTAL/ISOLANT/MÉTAL)

La constante diélectrique d’un matériau dépend de la propriété de ce matériau à stocker des charges. Plus le matériau peut stocker de charges et plus sa constante diélectrique est élevée.

A l’échelle microscopique, la polarisation d’un cristal peut être reliée au champ électrique local −−→ par la relation : Eloc −→ −−→ −−→ (1.8) P = N αEloc= N (αe + αi + αd)Eloc

Ou N est le nombre de dipôles élémentaires par unité de volume et α la polarisabilité totale qui est égale à la polarisabilité électronique α e, ionique α i et dipolaire α d comme le montre la figure 1.5 : Polarisabilité totale (partie réelle)

U.H.F àInfrarougeUltraviolet

microondes

α dipolaire

α ionique

α électronique Fréquence

FIG. 1.5 – Dépendance des différentes contributions à la polarisabilité par rapport à la fréquence. La contribution électronique provient du déplacement des couches électroniques par rapport au noyau. La contribution ionique provient du déplacement d’un ion chargé par rapport aux autres ions. La polarisabilité dipolaire provient, quant à elle, des molécules ayant un moment dipolaire électrique permanent qui peut changer d’orientation dans un champ électrique appliqué.

Si le champ local est donné par la relation de Lorentz, on peut déduire des équations 1.5 et 1.8 la relation de Clausius-Mossotti qui relie la constante diélectrique à la polarisabilité :

ǫr − 1 = N α (1.10)

ǫr + 23ǫ0

Notons également que la permittivité d’un matériau diélectrique peut s’écrire sous la forme complexe de la façon suivante de la gamme des fréquences audio aux fréquences optiques :

ǫc(ω) = ǫ′ (ω) − i · ǫ′′ (ω) (1.11)

La partie réelle de la permittivité, ǫ′ , est une mesure de la polarisation diélectrique du matériau. La partie imaginaire, ǫ′′ , définit la puissance moyenne absorbée par le milieu par unité de volume ; c’est une mesure des pertes d’énergie.

Caractéristiques requises

Capacité surfacique

C’est la volonté d’augmenter la valeur de la capacité surfacique qui oblige à développer de nouveaux matériaux à forte permittivité. Elle est exprimée en nF /mm2 ou f F /µm2 (elle sera exprimé en f F /µm2 dans la suite). Les exigences ne sont pas identiques pour toutes les applications.

Linéarité en tension

Les capacités MIM doivent avoir une valeur de capacité constante lorsque la tension ap-pliquée varie (régime d’accumulation). En réalité ceci n’est pas respecté et on observe une légère variation de la capacité. Cette variation de la capacité en fonction de la polarisation appliquée aux bornes d’un condensateur MIM est appelée linéarité en tension. Elle suit gé-néralement une loi polynomiale du second degré : C(V)−C0 × 10−6 = α · V + β · V (1.12) où C0 est la capacité mesurée à 0 V, α le coefficient quadratique (exprimé en ppm/V 2 ) et β le coefficient linéaire (exprimé en ppm/V) de la capacité.

Les origines physiques de ces coefficients sont assez mal connues. La concavité de la courbe C-V sera positive ou négative selon l’importance de chacune de ces contributions. La Figure 1.6 présente des exemples de caractéristiques C(V) avec des courbures qui sont différentes selon le diélectrique employé dans la structure MIM. La courbe ΔC(V )/C0 de l’oxyde d’yttrium présente une courbure dite positive tandis que le titanate de strontium présente une courbure négative. Ce point sera largement discuté par la suite.

Tension alternative et pertes diélectriques

Les isolants ne sont pas parfaits et laissent passer une petite quantité d’électrons lorsque l’on applique une tension aux bornes d’un condensateur. Ainsi, cela se traduit par des cou-rants de fuite dus à la polarisation continue et à des pertes diélectriques dues à la polarisation alternative. L’isolant peut se modéliser par un schéma électrique équivalent du type RC en série ou en parallèle suivant l’ordre de grandeur des pertes (Figure 1.7). Dans le cas d’un modèle en parallèle, ces pertes diélectriques sont définies par l’angle de perte tan δ qui re-présente le déphasage induit par l’isolant entre le signal alternatif d’entrée et celui de sortie (Figure 1.8) et s’exprime selon la relation suivante : 1 (1.13) tanδ = Rp · C · ω avec Rp la résistance du circuit équivalent, Cp sa capacité et ω la fréquence du signal alternatif.

Tension continue et courants de fuite

Les courants de fuite apparaissent lorsque l’on applique une tension continue aux bornes d’un condensateur à cause des différents types de défauts liés au diélectrique lui-même ou à la structure du composant réalisé, qui vont permettre le passage d’électrons. On peut essayer de déterminer l’origine de ces courants de fuite qui sont principalement liés aux phénomènes de conduction : L’émission thermoélectronique ou effet Schottky (voie 1 de la Figure 1.9) : des porteurs de charge sont injectés depuis l’électrode métallique dans le diélectrique en passant au-dessus de la barrière de potentiel résultant de l’interface métal/diélectrique.

Le courant tunnel ou effet Fowler-Nordheim (voie 2 et 3 de la Figure 1.9) : il s’agit d’un ef-fet 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 conden-sateur à travers le diélectrique.

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Table des matières

Introduction
1 Les matériaux à forte permittivité pour les capacités MIM
1.1 Historique – Evolution de la microélectronique
1.1.1 Avancée de la microélectronique : loi de Moore
1.1.2 Transistor MOS : remplacement de l’oxyde de grille
1.1.3 Le problème des composants passifs
1.2 La capacité MIM (Métal/Isolant/Métal)
1.2.1 Définitions
1.2.2 Avantages et contraintes de la capacité MIM
1.2.3 Propriétés physiques
1.2.4 Caractéristiques requises
1.2.5 Applications
1.3 Utilisation des matériaux à forte permittivité pour les applications MIM
1.3.1 Remplacement de l’oxyde de silicium
1.3.2 Constante diélectrique
1.3.3 Hauteur de barrière vis à vis du métal
1.3.4 Stabilité thermodynamique
1.3.5 Morphologie du film
1.3.6 Choix du matériau
1.4 Etat de l’art sur la linéarité en tension – origines de α
1.4.1 Cas des structures pérovskyte de type SrTiO3 ou BaTiO3
1.4.2 Cas du SiO2
1.4.3 Cas du Si3N4
1.4.4 Cas des matériaux high κ
1.4.5 Conclusions
1.5 Stratégies envisagées pour améliorer les performances électriques des capacités MIM
1.5.1 Etude de l’interface métal-oxyde et son optimisation
1.5.2 Structures bicouches – Utilisation de deux matériaux avec des courbures
C/C0 opposées
1.5.3 Multicouches et intermixées
1.6 Conclusions
2 Dispositif expérimental et outils de caractérisation
2.1 La MOCVD à injection pulsé
2.1.1 Le Dépôt chimique en phase vapeur
2.1.2 La MOCVD à injection
2.2 La PE-MOCVD à injection pulsée
2.2.1 L’assistance plasma
2.2.2 Principe du dépôt CVD par assistance plasma
2.2.3 Paramètres du dépôt PECVD
2.3 Procédés de dépôt MOCVD utilisés au cours de cette thèse
2.3.1 Le réacteur MOCVD à injection pulsée avec assistance plasma basse fréquence
2.3.2 Le réacteur MOCVD à injection pulsée
2.3.3 La MOCVD à injection pulsée avec assistance plasma radio fréquence – Mise en oeuvre
2.4 Les méthodes de caractérisation
2.4.1 Caractérisations des films par spectroscopie des photoélectrons (XPS) 5
2.4.2 Spectroscopie infrarouge (FTIR)
2.4.3 Ellipsométrie spectroscopique
2.4.4 La Microscopie électronique en transmission
2.4.5 La technique de diffraction des rayons X (XRD)
2.4.6 Spectrométrie de masse des ions secondaire (SIMS)
2.4.7 Microscopie à force atomique (AFM)
2.4.8 Les caractérisations électriques
3 Optimisation du procédé
3.1 Dépôts par PE-MOCVD basse fréquence (Trikon 200 mm)
3.1.1 Rôle du solvant
3.1.2 Effets de traitements post dépôts
3.1.3 Uniformité de l’épaisseur
3.1.4 Conclusions
3.2 Dépôt par MOCVD sans assisance plasma
3.2.1 Loi d’Arhenius
3.2.2 Influence de la température sur la nature des dépôts
3.2.3 Dépôt sur nitrure de titane
3.2.4 Dépôt sur siliciure de tungstène
3.2.5 Analyses XRD
3.2.6 Conclusions sur les dépôts par MOCVD
3.3 Dépôt par PE-MOCVD radiofréquence
3.3.1 Calibration de la température
3.3.2 Influence de la puissance
3.3.3 Influence de la distance inter – électrodes
3.3.4 Influence du débit d’oxygène
3.3.5 Conclusions
3.4 Dépôt par PE-MOCVD radiofréquence avec un plasma pulsée
3.4.1 Influence de la largeur du cycle plasma
3.4.2 Conclusions
3.5 Comparaisons des différentes techniques de dépôt
3.6 Conclusions sur les dépôts par MOCVD assistés ou non par plasma
4 Rôle du matériau d’électrode et de son interface sur les propriétés électriques
4.1 Caractérisation de l’interface
4.1.1 Caractérisations physico chimiques sur nitrure de titane
4.1.2 Caractérisations physico chimiques sur platine
4.1.3 Caractérisations physico chimiques sur siliciure de tungstène
4.1.4 Conclusions sur les analyses physico chimiques des différents substrats
4.2 Caractérisations électriques
4.2.1 Caractérisations électriques sur nitrure de titane
4.2.2 Caractérisations électriques sur platine
4.2.3 Caractérisations électriques sur siliciure de tungstène
4.2.4 Comparaison des différents métaux
4.3 Conclusions sur l’étude du rôle de l’électrode inférieure
5 Structures multicouches et alliées pour applications MIM
5.1 Capacités MIM La-Al-O / Y2O3
5.1.1 Introduction
5.1.2 Capacités MIM à base de La-Al-O
5.1.3 Caractérisation électriques des bicouches La-Al-O / Y2O3
5.1.4 Effet d’un recuit d’oxygène sur les caractéristiques électriques
5.1.5 Conclusions
5.2 Capacités MIM à base d’oxyde d’hafnium et d’aluminium sur des substrats de siliciure de tungstène
5.2.1 Préparation des échantillons et description des structures
5.2.2 Analyses ATR
5.2.3 Analyses par ellipsométrie spectroscopique
5.2.4 Caractérisations TEM
5.2.5 Analyses XPS
5.2.6 Analyses SIMS
5.2.7 Conclusions sur les analyses physico-chimiques
5.2.8 Caractéristiques électriques
5.2.9 Conclusions sur les caractéristiques électriques
5.2.10 Conclusions sur les structures à base de HfO2 et Al2O3
5.3 Les capacités MIM titanate de strontium / oxyde d’yttrium
5.3.1 Introduction
5.3.2 Caractérisations physico-chimiques des structures oxyde d’yttrium / titanate de strontium
5.3.3 Caractérisations électriques de SrTiO3 seul
5.3.4 Caractérisations électriques titanate de strontium / oxyde d’yttrium
5.3.5 Discussions sur l’étude des bicouches SrTiO3 / Y2O3
5.3.6 Conclusions générales sur les bicouches à base de SrTiO3
5.4 Conclusions
Conclusions
A Fiche d’identité du précurseur Y(tmhd)3
B Electronégativité
Bibliographie