Elaboration and characterization of few high-k dielectrics for microelectronic application : the importance of the network on the dielectric constant

• Auteur / Autrice : Tito Busani
• Direction : Jacques Pelletier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anodisation

Ellipsométrie

Recuit thermique rapide

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Dépôt chimique en phase vapeur

Microélectronique

Couches minces

Mots clés libres

Evaporation par canon d'électrons

Volume moléculaire

Résumé

Durant les dernières décades, les activités de l'industrie de la microélectronique, et ainsi la recherche en microélectronique, ont été guidées par la loi de Moore. Cela a conduit à une réduction importante des dimensions fondamentales des transistors. Pour certains procédés, la dimension des matériaux a rejoint l'échelle atomique, avec les problèmes de fabrication et de fiabilité que cela entraîne. Ainsi l'oxyde de grille est-il prévu d'être constitué de 0. 6 nm de SiO2 en 2013. A de telles épaisseurs l'oxyde fuit considérablement lorsqu'un champ électrique est appliqué sur la grille, avec pour conséquence une réduction des performances du transistor. Dans ce contexte, notre recherche s'intéresse à trouver un nouveau diélectrique pour remplacer Si02, en se basant sur l'idée que si l'épaisseur doit être augmentée pour réduire le courant de fuite, la constante diélectrique doit être augmentée de la même manière. Nous avons étudié différents matériaux tels que LaAIO3, Nd2O3, Pr2O3, TiO2 et des mélanges TiO2-SiO2, qui sont généralement considérés comme étant des matériaux à forte permittivité (''high k''). Les oxydes ont été déposés par PECVD utilisant une source ECR, ou bien évaporés au canon à électrons, ou encore déposés par pulvérisation RF. Enfin, certains matériaux étudiés furent oxydés thermiquement ou oxydés par anodisation. Différentes techniques de caractérisation ont été adoptées afin d'analyser les propriétés chimiques, physiques, optiques et électriques. La relation entre technique de croissance et propriétés du matériau a été plus particulièrement étudiée. Il apparaît que l'interface entre l'oxyde et le substrat de Si dépend de la méthode de dépôt et des conditions de recuit. La constante diélectrique et l'indice de réfraction de chaque matériau ont été quantifiés. Les valeurs semblent parfois en désaccord avec la littérature, et la littérature elle-même présente des incohérences quant aux propriétés diélectriques de ces matériaux. La relation entre propriétés électriques et optiques a été établie. Nous avons montré que la structure du réseau joue un rôle fondamental sur la polarisabilité et le volume moléculaire (c-à-d la densité) des matériaux. Sans une modification radicale de ces paramètres, généralement il n'est pas possible d'obtenir une phase du matériau possédant une ''forte'' constante diélectrique.

Over the last decades, the microelectronic industry, and hence microelectronic research, has been driven by Moore's lawl The consequence has been a mass scaling down of the fundamental dimensions of the transistor. Ln this process the material dimension has reached, in some cases, the atomic scale, with manufacturing and reliability problems that this implies. Ln particular the gate oxide is expected to be 0. 6 nm of SiO2 for 2O13. At these thicknesses the oxide leaks considerably when an electric field is applied to the gate, which results in a loss of performance for the transistor. Research is focused in finding a new dielectric in order to replace SiO2, using the idea that if the thickness could be increased in order to reduce the leakage currents, the dielectric constant would be increased as weil. We have studied different materials such as LaAIO3, Nd2O3, Pr2O3, TiO2 and mixed TiO2-SiO2, which usually are considered high k materials. The oxides were deposited via PECVD with an Electron Cyclotron Resonance Microwave Reactor (ECR), were evaporated using an Electron Beam Evaporator and also were sputtered using an rf plasma. Finally some of the materials investigated were thermally oxidized or anodically oxidized. Different techniques of characterization have been adopted in order to analyze the chemical, physical, optical and electrical properties of the materials. The relation between the deposition or growth technique and the properties of the materials was studied carefully. It appears that the interface between the oxide and the Si substrate depends upon the deposition method and annealing condition. The dielectric constant and the refractive index of each mate rial were ascertained. The value sometimes appeared in disagreement with the literature and the literature itself shows incoherence among the dielectric properties of these materials. The relation between the electrical properties and the optical properties has been established. We show that the network structure plays a fundamental role on the polarizibilities and the molecular volume (i. E. Density) of the materials. Without a radical chanae of these variables, usuallv a chase of the mate rial in which the dielectric constant is ''high'' cannot be obtained.