Atomic Layer Deposition of thin dielectric films for high density and high reliability integrated capacitors

Dépôt par couche atomique de couches minces diélectriques pour des condensateurs de haute densité à haute fiabilité

• Auteur / Autrice : Maxime Lemenager
• Direction : Bruno Allard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Micro et Nanoélectronique, Optique et Laser
• Date : Soutenance le 22/10/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Gourbilleau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Fabrice Gourbilleau, Ulrike Lüders, Fred Roozeboom, Florent Lallemand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ulrike Lüders, Fred Roozeboom

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Condensateur

Nanotechnologie

Couches minces

ALD - Atomic layer deposition

Capacité 3d

Capacité Métal Isolant Métal - MIM

TiN

Al2O3

Pics

Dépôt atomique

Contrainte mécanique

Power electronics

Capacitor

Nanotechnology

Dielectric thin films

Atomic layer deposition - ALD

3d capacitor

MIM - Metal Insulator Metal - SemiConductor

TiN

Al2O3

Pics

Atomic deposition

Mechanical stress

Résumé

Le stockage d’énergie dans les systèmes embarqués fait toujours l’objet d’importants efforts de R&D car il nécessite une constante diminution du volume occupé par les composants électroniques. Il apparaît que la taille des composants discrets que sont les condensateurs est un des freins à la miniaturisation des dispositifs finaux. Bien que des technologies, principalement basées sur la gravure profonde du silicium à l’échelle micrométrique, aient permis des avancées considérables, elles se montrent dorénavant limitées en termes de densité d’intégration. De ce fait, Murata IPS a développé une nouvelle technologie 3D à l’échelle nanométrique permettant une plus forte surface développée. L’utilisation d’une telle matrice requiert une méthode de dépôt de l’empilement MIM telle que l’ALD, adaptée aux structures à fort rapport d’aspect. Le but de cette thèse est ainsi l’intégration de la structure MIM dans la nouvelle matrice 3D dans le respect des contraintes inhérentes à l’industrie de manière à donner lieu à la cinquième génération des technologies PICS™. Le premier challenge résidait dans la conformalité des dépôts que nous nous sommes efforcés d’obtenir avec un équipement de production. Cela a permis de démontrer une densité de capacité supérieure à 1µF/mm² en utilisant un film diélectrique d’alumine de 10nm. Il s’avère également que l’intégration des électrodes TiN joue un rôle important sur la structure 3D. En effet, les contraintes ont dû être réduites pour assurer la tenue mécanique de la structure, notamment en jouant sur le pulse NH3. Les interfaces métal-diélectriques ont également fait l’objet d’une étude approfondie où l’influence de l’oxydation du TiN pendant le dépôt diélectrique a pu être mise en évidence et caractérisée électriquement. Cette étude a amené à l’intégration d’un matériau supplémentaire jouant le rôle de barrière aux interfaces, produisant des condensateurs avec une durée de vie supérieure à 10ans dans les conditions d’utilisation visées.

Energy storage in embedded systems is still the subject of major R&D efforts as it requires a constant decrease in the volume of electronic components. It appears that the size of the discrete components, such as capacitors, is one of the brakes to the miniaturization of the final devices. Although technologies mainly based on silicon deep etching at the micrometric scale have made considerable progresses, they are now limited in terms of integration density. As a result, Murata IPS is developing a new 3D technology enabling a higher developed surface area. The use of such a matrix requires a MIM stack deposition technique such as ALD which is adapted to high aspect ratios. The aim of this thesis has been thus to integrate the MIM structure into the new 3D matrix while respecting the constraints inherent to the industry in order to give rise to the fifth generation of PICS™ technologies. The first challenge has been the achievement of sufficient step coverage of the films with an industrial equipment. A capacitance density greater than 1µF/mm² using a 10nm alumina film has been demonstrated. It also turns out that the TiN electrodes integration plays an important role on the 3D structure. Indeed, the mechanical stress had to be reduced to ensure the mechanical robustness of the structure, in particular by playing on the NH3 pulse. The metal-dielectric interfaces have also been the subject of an in-depth study where the influence of TiN oxidation during dielectric deposition has been shown and electrically characterized. This study has then led to the integration of an additional barrier material at the interfaces, producing capacitors with a 10-year lifetime under the intended voltage and temperature conditions.