Stabilisation en phase quadratique de zircone déposée par PEALD : application aux capacités MIM

par Julien Ferrand

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Elisabeth Blanquet et de Mickaël Gros-Jean.

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Elisabeth Blanquet, Mickaël Gros-Jean, Lionel Santinacci.

Les rapporteurs étaient Philippe Barboux, Sylvie Schamm-Chardon.


  • Résumé

    Depuis plus de dix ans les capacités MIM (Métal Isolant Métal) sont des composants passifs largement intégrés au niveau des interconnections des puces de microélectronique. A cause de la miniaturisation et de la réduction de la surface des puces, la densité de capacité des capacités MIM doit être constamment augmentée. Une solution est l'utilisation d'un isolant avec une constante diélectrique élevée dit « high-k ». Pour les prochaines générations de condensateurs, des densités de capacité supérieur à 30 fF/µm² sont visées. L'oxyde de zirconium (ou zircone) a été sélectionné pour remplacer de l'oxyde de tantale actuellement utilisé. Il possède une constante diélectrique qui dépend de sa structure cristalline. Elle est respectivement de 17, 47 et 37 dans les phases monoclinique, quadratique et cubique. Il est donc nécessaire de déposer la zircone dans la phase quadratique. Cependant, les couches minces de zircone ne sont pas entièrement cristallisées dans la phase quadratique. De plus, elles ne répondent pas aux critères de fiabilité requis par la microélectronique. L'objectif de cette thèse est la stabilisation de la zircone dans la phase quadratique par le dopage. Le tantale et le germanium sont les deux dopants choisis grâce à une étude de sélection de matériaux. Des couches minces d'environ 8 nm de zircone dopée à différentes concentrations ont été réalisées par PEALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). Après les dépôts, des recuits à 400°C pendant 30 min ont été effectués afin de reproduire les traitements thermiques subis par les couches lorsqu'elles sont intégrées dans des puces de microélectronique. Plusieurs types de caractérisations ont été effectuées afin d'étudier l'influence des dopants sur la structure cristalline de la zircone mais aussi sur ses propriétés physico-chimiques. Des tests électriques sur des capacités MIM intégrées ont permis de mesurer les propriétés électriques des couches et la fiabilité de la zircone dopée a été évaluée. Ce travail a pour but la fabrication d'une capacité MIM planaire à base d'oxyde de zirconium dopée dont la densité de capacité sera supérieure à 30 fF/µm² pour des applications de découplage.

  • Titre traduit

    Stabilization of tetragonal zirconia deposited by PEALD for MIM capacitor applications


  • Résumé

    For more than ten years Metal-Insulator-Metal capacitors (MIM) have been integrated at the level of copper interconnections. All new technology nodes have led to a decrease of the surface of chips; capacitance density must be thus enhanced. The best solution is to use a material with a high dielectric constant commonly named “high-k”. For the next MIM capacitor generation, capacitance density has to be higher than 30 fF/µm². Tantalum oxide, currently used, has reached its limits and it must be replaced. Zirconium dioxide has a high dielectric constant of 47 in the tetragonal phase with a sufficient band gap for MIM applications. When deposited in thin films, zirconia is not fully crystalized in the tetragonal phase. Moreover, this pure zirconium oxide does not fulfill the reliability criteria. The aim of this work is to stabilize zirconia in its tetragonal phase by alloying it with other elements. Tantalum and Germanium are the two dopants selected thanks to a bibliographic study. Thin layers of zirconia of 8 nm alloyed with Tantalum and Germanium have been deposited by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD). Samples were annealed at 400°C during 30 minutes after deposition to reproduce the thermal conditions that microelectronic chips are submitted to. Different characterization technics have been used to study the effect of dopants on zirconia's crystalline structure and its physic-chemical properties. Tests have been made on integrated MIM capacitors with Titanium Nitride electrodes to determine the electrical properties of the layers. Reliability of zirconia doped layers was also evaluated. The purpose of this work is the production of zirconia based planar MIM capacitor with a capacitance density of 30 fF/µm².


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