Laboratoire des Technologies de la Microélectronique UMR 5129

CNRS/LTM c/oCEA/LETI/D2NT 17 Avenue des martyrs 38054 GRENOBLE Cedex 9 Tel : [phone] . Fax : [phone]
Laboratoire des Technologies de la
Microélectronique UMR 5129 -
CNRS/UJF/INPG
Sujet : Elaboration et caractérisation de matériaux high k pour capacités Métal-Isolant-
Métal
Le développement de matériaux à forte permittivité (high ) pour des structures avancées
métal-isolant-métal (MIM) est un point clef pour les futurs dispositifs silicium de la
microélectronique, soit en vue d’une approche ‘‘More of Moore” (réduction d’échelle agressive
des composants, comme les DRAM - Dynamic Random Access Memory), soit vers une
stratégie ‘‘More than Moore” (fonctionnalisation des systèmes électroniques, avec par exemple
l’utilisation de composants passifs MIM RF). Néanmoins, la réduction de l’espace occupé par
les composants passifs nécessite de réaliser des capacités MIM de forte densité (exprimée en
fF/m2), tout en conservant des critères de performance exigeants (excellente linéarité en
tension, faible dérive en température, courant de fuite minimisé, facteur de qualité élevé, tenue
en tension conforme aux applications industrielles).
L’augmentation de la densité de capacité s’est faite initialement par une diminution de
l’épaisseur du diélectrique utilisé (principalement SiO2 et Si3N4), mais cet amincissement induit
une augmentation des instabilités en tension et en température du composant. Pour contourner
cet obstacle, l'approche actuelle est d’intégrer des matériaux à plus forte permittivité
diélectrique tels que Ta2O5, HfO2 et ZrO2, ce qui permet de relaxer la contrainte sur l'épaisseur.
En collaboration avec STMicroelectronics, le LTM souhaite développer des capacités MIM
devant atteindre des valeurs de capacité surfacique supérieures à 100 fF/m2 et devant tenir des
tensions supérieures à 15V. Ces fortes valeurs nécessitent tout en développant des matériaux à
forte permittivité, d’aller vers des architectures 3D qui permettent à épaisseur équivalent
d’oxyde d’obtenir des capacités surfaciques plus importantes comme illustré en Fig.1.
Figure 1 – Influence de la topologie sur une capacité MIM HfO2 [1]
Une autre approche prometteuse consiste aussi à mixer 2 (ou plus) oxydes pour former un
nouveau composé complexe donnant des propriétés supérieures à l’oxyde unique. On peut
parler alors de structures bi-couches (multi-couches), aussi appelées "laminates" [2-3]. C'est ce
type de nouvelles structures que nous proposons de développer en architecture 3D dans le
présent projet. En ce sens il répond parfaitement à l'un des challenges identifiés par l'ITRS
Roadmap 2009 [4]: "The key challenge is to keep the leakage current and voltage linearity low
as the film thickness is reduced. One way to solve this tradeoff is to use multi-layered structures
where the capacitance density and voltage linearity can be separately optimized. Whether such
solutions are production worthy needs to be determined."
[1] C. Wenger et al (IHP), Séminaire à l’UJF, mars 2010
[2] J. H. Klootwijk et al, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS 29 (2008) 740
[3] C. Jorel et al, APL 94 253502 (2009)
[4] International Technology Roadmap for Semiconductors, "radio frequency and analog/mixed-signal
technologies for wireless communications”, page 19
Metal
3
Metal
2
Via 2
020 40 60 80 100 120 140
0
2
4
6
8
10
12
3D
2D
k = 34
k = 17
Capacitance (fF/
m2)
HfO2 Thickness (nm)

CNRS/LTM c/oCEA/LETI/D2NT 17 Avenue des martyrs 38054 GRENOBLE Cedex 9 Tel : [phone] . Fax : [phone]
Description de la thèse, déroulement
Les travaux inscrits dans cette thèse se décompose en trois parties. La première partie
consistera à sélectionner l’oxyde ou les oxydes (système multicouche) permettant de répondre
au cahier des charges imposé par l’industrie. Le système visé est un système multicouche de
type MIMIM 3D. La nécessité d’un dépôt conforme impose d’utiliser une technologie de dépôt
de type ALD (Atomic Layer Deposition). Pour ce dépôt on utilisera dans un premier temps le
réacteur ALD de la PTA* puis un équipement du LTM (actuellement en cours d’achat). Les
oxydes dopés ou multicouches envisagés pour ce travail sont à titre d’exemple : Ta2O5-ZrO2
(précurseurs ZrCL4 + Ta(OC2H5) + H2O), ZrO2-HfO2 et ZrxHf1-xO2 (précurseurs TEMAZ +
TEMAH + O3), TiLaO, TiLaAlO et enfin HfLaO (précurseurs Hf(NEtMe)4, Al(CH3)3,
La(iPrCp)3 et H2O).
L’impact du précurseur, du procédé, ainsi que l’influence du traitement thermique post dépôt
ainsi que des électrodes métalliques seront étudiés et constitueront la deuxième partie de ce
travail. Ces dépôts seront d’abord effectués sur substrat plan afin de favoriser leurs
caractérisations. La caractérisation physico-chimique et optique des matériaux élaborés se fera
via les moyens du LTM et du CEA/LETI. Les analyses électriques de ces matériaux seront
effectuées conjointement au LTM pour des analyses Basses Fréquence et à l’IMEP-LAHC pour
des analyses HF jusqu’à 70 GHz via l’utilisation de masques et structures développées à la
PTA ces dernières années lors d’une collaboration entre ces deux laboratoires. Enfin, la
dernière partie de ce travail de thèse consistera à la réalisation d‘architectures 3D plus
agressives qui devraient permettre d’atteindre les critères ITRS visés en début de thèse.
*PTA : Plateforme Technologique Amont : centrale technologique ouverte aux laboratoires académiques
Moyens à disposition – caractérisations
La caractérisation physico-chimique et optique des matériaux élaborés se fera via les moyens
du LTM et du CEA/LETI. Les analyses électriques de ces matériaux seront effectuées
conjointement au LTM pour des analyses Basses Fréquence et à l’IMEP-LAHC pour des
analyses RF via l’utilisation de masques et structures développées à la PTA ces dernières
années lors d’une collaboration entre ces deux laboratoires.
Laboratoires d’accueils
La thèse se déroulera principalement au LTM en collaboration avec l’IMEP-LAHC. Le
doctorant sera amené à effectuer une partie du travail expérimental sur les moyens de l’IMEP-
LAHC.
- Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM), UMR UJF/CNRS 5129, 17
avenue des martyrs, 38054 Grenoble cedex 9, France
- IMEP-LAHC, UMR CNRS 5130, Université de Savoie / Campus scientifique, 73376 Le
Bourget du Lac Cedex, France
Responsables de la thèse
- Ahmad Bsiesy : mail : [email protected] tél : [phone]
- Christophe Vallée : mail : [e-mail], tél : [phone]
- Bernard Fléchet : mail : [email protected] tél : [phone]