Élaboration et caractérisation large bande de matériaux « high-K » en structure « MIM »

Elaboration and wideband frequency charaterization of « high-k » materials in a « MIM » configuration

• Auteur / Autrice : Thomas Bertaud
• Direction : Bernard Flechet, Christophe Vallée, Cédric Bermond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics (Crolles, Isère, France) - Matra-Harris semi-conducteurs
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe Caractérisation hyperfréquences, interconnexions et passifs intégrés (Chambéry ; IMEP-LAHC)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Carru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Blonkowski, Emmanuel Defaÿ
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Mazé-Merceur, Antoine Goullet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

MIS (électronique)

Semiconducteurs à large bande interdite

Diélectriques

Permittivité

Mots clés libres

High-k

Diélectriques

Permittivité

Caractérisation

Hyperfréquences

Large bande

Capacités MIM

Piézoélectricité

Vcc

AlN

TiTaO

HfO2

ZrO2

High-k

Dielectrics

Permittivity

Characterization

High frequency

Wide band

MIM capacitors

Piezoelectricity

Vcc

AlN

TiTaO

HfO2

ZrO2

Résumé

Afin d'améliorer les performances électriques des circuits intégrés (densité d'intégration, vitesse et fiabilité), des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans les composants passifs, notamment les capacités « Métal-Isolant-Métal » (MIM). De nombreux diélectriques, allant d'une permittivité moyenne (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) à très élevée (les pérovskites SrTiO3 et BaTiO3) en passant par les alliages de plusieurs éléments (HfTiO, TiTaO ou Pb (ZrxTi1-x) O3) sont largement étudiés comme candidats prometteurs. Ces composants et ces matériaux ont pour vocation de fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées, jusqu'à plusieurs gigahertz. La permittivité complexe Er (permittivité réelle E'r et pertes E''r) des diélectriques peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître. La caractérisation de ces matériaux et l'évaluation des performances des composants intégrant ces diélectriques deviennent nécessaires sur une très large bande de fréquence. Ce travail de thèse a pour objectifs d'obtenir les caractéristiques électriques des diélectriques sur une très large bande de fréquences, du continu à plusieurs dizaines de gigahertz, en configuration in-situ, c'est-à-dire en films minces et avec les mêmes procédés d'intégration que dans le composant MIM final. Pour cela, un outil générique, allant du développement de la technologie nécessaire à la réalisation des structures de test et aux procédures d'extraction des propriétés à hautes fréquences, a été développé, validé grâce au SixNy puis appliqué à différents diélectriques : AlN [1], TiTaO [2], HfO2 et ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al. , Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al. , J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al. , IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al. , IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012)

To improve the electrical performances of integrated circuits (integration density, speed and reliability), high permittivity materials are introduced in passive components, including "Metal-Insulator-Metal" (MIM) capacitors. Many dielectrics, with a permittivity ranging from mean (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) to very high (perovskites SrTiO3 and BaTiO3) through the alloy of several elements (HfTiO, TiTaO or Pb(ZrxTi1-x)O3) are widely studied as promising candidates. These components and materials are designed to operate at frequencies higher and higher, up to several gigahertz. The dielectric complex permittivity Er (real permittivity E'r and losses E''r) may vary with frequency: relaxation and resonances phenomena may occur. The characterization of these materials and the performances evaluation of components integrating these dielectrics become necessary over a wide frequency band. This thesis aims to obtain the electrical characteristics of dielectrics over a wide frequency band, from DC to several tens of gigahertz, in an in-situ configuration, i. E. In thin films and with the same processes of integration of the final MIM component. For this, a generic tool, from the development of the technology necessary to realize test structures to the high frequency extraction procedures of the material properties, has been developed, validated through SixNy and then applied to some dielectrics: AlN [1], TiTaO [2], HfO2 and ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al. , Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al. , J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al. , IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al. , IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012)