Caractérisation hyperfréquences de matériaux isolants de haute permittivité en vue de l'intégration de fonctions passives dans les circuits intégrés avancés

Wide band frequency and in-situ characterization of high permittivity insulators (High-K) for high speed integrated passives

• Auteur / Autrice : Thierry Lacrevaz
• Direction : Bernard Flechet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, optronique et systèmes
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Diélectriques

Circuits intégrés

Résumé

Pour améliorer les performances des circuits intégrés rapides, densité d'intégration, vitesse et fiabilité, des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans la conception des capacités Métal-Isolant-Métal (MIM) pour augmenter la capacité surfacique et ainsi diminuer leurs tailles. De nombreux diélectriques tels que Si3N4, Ta2O5, HfO2 ou STO paraissent appropriés compte tenu de leurs caractéristiques à basses fréquences. Cependant, la permittivité complexe εr (permittivité réelle εr ' et pertes εr ") des isolants peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître comme la théorie le prévoit. Il devient donc nécessaire d'étudier le comportement de ces matériaux sur un large spectre afin de sélectionner le diélectrique le plus stable en fréquence avant de développer les procédés technologiques nécessaires à son intégration. Nous proposons une méthode de caractérisation capable d'analyser les performances des ces nouveaux isolants, déposés en couche planes, sur un large domaine de fréquences (de 40 MHz à 40 GHz) avant leur intégration au sein d'une filière technologique. La technique de caractérisation in situ utilisée se base sur une structure de test qui encapsule le matériau à caractériser dans son environnement de fabrication sous un guide d'onde coplanaire (CPW). Ce dernier permet alors l'étude large bande de fréquence de la permittivité complexe du matériau High-K

To improve the performances of the high-speed integrated circuits, integration density, speed and reliability, high permittivity insulators are progressively introduced in the design of Metal-Insulator-Metal (MIM) to increase the capacitance density and then to reduce their sizes. Many dielectrics such as Si3N4, Ta2O5, HfO2 or STO seem to be appropriated according to their characteristics at low frequencies. However, the complex permittivity εr (real permittivity εr ' and loses εr ") of insulators can vary with frequency : relaxation and resonance phenomenon can appear as the theory predicts. Then it is necessary to analyze the behavior of these materials on a large spectrum in order to select the dielectric which is the most stable in frequency before developing technological processes necessary to its integration. We propose a characterization method able to analyze the performances of these new insulators, deposited in planar layers, on a large frequency range (from 40 MHz to 40 GHz) before integrating them within a technological line. The in situ characterization technique that is used is based on a test structure that integrates the material to characterize in its manufacturing environment under a coplanar wave guide (CPW). This one then allows the large wave frequency study of the complex permittivity of the High-K material