Elaboration et caractérisation de films minces de Ta2 O5 pour la réalisation de structures capacitives intégrées sur silicium

par Sandrine Four

Thèse de doctorat en Dispositifs de l''électronique intégrée

Sous la direction de Jean-Luc Autran.

Soutenue en 2000

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (laboratoire) .

mots clés

• Dépôt chimique en phase vapeur

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit s'insèrent dans le cadre des recherches sur les matériaux "high-k", c'est-à-dire à forte permitivité. Ils concernent plus précisément l'élaboration et la caractérisation de couches minces d'oxyde de tantale (Ta2 O5) en vue de réaliser des structures capacitives intégrées sur silicium. Dans un premier temps nous proposons une brève synthèse bibliographique. Celle-ci expose les caractéristiques des principales méthodes de préparation de l'oxyde, les effets de différents traitements avant et après dépôt ainsi que les études réalisées sur les structures Métal/Isolant/Métal (MIM). Nous présentons ensuite les outils de caractérisation physiques et électriques utilisés au cours de cette étude. Puis nos résultats sont développés en deux grandes parties. La première concerne la faisabilité de couches minces de Ta2 O5 par méthode CVD assistée par plasma (ECR-PECVD) en vue d'applications microélectroniques. Les dépôts ont été effectués à partir d'un précurseur non carboné (TaF5). Différentes caractérisations, notamment physiques, ont été réalisées afin de connaître les propriétés de l'oxyde (permittivité, stoechiométrie, densité, taux d'impuretés,. . . ). Elles révèlent la présence de fluor qui ne semble pas détériorer les propriétés électriques des films. Dans la deuxième partie, les oxydes ont été réalisés par ECR-PECVD (source organométallique), dans une machine industrielle que nous avons calibrée en effectuant des dépôts sur silicium. Ensuite, nous avons étudié l'influence du procédé de dépôt et de l'électrode supérieure sur les propriétés électriques des capacités MIM. Il s'ávère qu'une phase de préchauffage sous oxygène est nécessaire pour que l'adhérence de la couche d'oxyde sur le substrat soit suffisante. Les résultats obtenus avec une électrode supérieure en TiN sont prometteurs pour une éventuelle application industrielle des capacités intermétalliques (non-linéarité et courant de fuite plus faibles qu'avec l'aluminium).

Titre traduit

= Elaboration and characterization of ta20 5 thin films for capacitor integrated on silicon

Résumé

This thesis is related to research works performed on high-k materials. More precisely, it concerns the elaboration and the characterization of tantalum pentoxide (Ta20s) thin films for capacitors integrated on silicon. First, a short bibliography is given. We display the features of the main methods to prepare the oxide, the effects of different pre- and post treatments and previous studies about Metal/Insulator/Metal (MIM) devices. Next, physical and electrical characterization used in this work was presented. Then, the results are developed in two parts. The first one deals with feasibility study of Ta20 5 thin films by plasma assisted CVD (ECR-PECVD) for microelectronic applications. Depositions were performed in an experimental reactor, using a TaF5 source. Different characterizations were made in order to evaluate the oxide properties (permittivity, stoechiometry, density, contamination,. . . ). Thus, the presence of fluorine was detected, but this doesn't seem to damage the electrical properties of the films. In the second part, the films were prepared by ECR-PECVD (organo-metallic source) with an industrial machine, which was gauged by depositing on silicon. Then, we evaluated the influence of process and top-electrode materials on electrical properties of MIM capacitors. We noticed that a preheat step is necessary to ge ta good adhesion on the substrate. The TiN top-electrode allows better results (non-linearity and leakage currents) than aluminum and gives promising results for industrial application.