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TH HÈ ÈS SE E
En vue de l'obtention du
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Délivré par l’Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Nanophysique
JURY
M. Robert Plana président
M. Alan Craven rapporteur
M. Daniel Bensahel rapporteur
M. Simon Elliott examinateur
M. Lionel Calmels examinateur
Mme Claudia Wiemer invitée
Mme Sylvie Schamm directrice de thèse
Ecole doctorale : Sciences de la Matière
Unité de recherche : UPR 8011
Directeur de Thèse : Dr Sylvie Schamm
Présentée et soutenue par
Pierre-Eugène COULON
Le 31 mars 2009
Films minces d'oxydes à grande permittivité
pour la nanoélectronique :
organisation structurale et chimique
et propriétés diélectriques

Une thèse ne se réalise pas sans l’aide indispensable de nombreuses personnes.
Merci à Monsieur Jean-Pierre Launay pour m’avoir accueilli dans son laboratoire, et à
Alain Claverie, chef du groupe nMat.
Merci à Messieurs Daniel Bensahel de STMicroelectronics et Alan Craven de l’université de
Glasgow d’avoir accepter de corriger ce manuscrit. Vos discussions ont été très
enrichissantes et je prends toujours plaisir à m’entretenir avec vous.
Merci à Monsieur Robert Plana d’avoir accepté de présider mon jury de thèse.
Merci à Madame Claudia Wiemer et à Monsieur Simon Elliott d’avoir été présents dans mon
jury de thèse. Je suis sûr que nous aurons l’occasion de nous revoir dans un avenir proche.
Je tiens ensuite à remercier toutes les personnes qui ont, de près ou de loin, participé à ce
travail de thèse.
Merci à Sylvie, ma directrice de thèse, qui m’a suivi durant ces trois ans... et même après.
Son aide et son attention ont été très précieuses et ont permis la réalisation de ce travail dans
les meilleures conditions, notamment au moment si particulier de la rédaction.
Merci à Lionel, dont la patience a été exemplaire. Promis, j’arrête de t’embêter !
Thanks to Marco Fanciulli’s team at MDM and most particularly Luca. How lucky I was to
work with you! See you soon… And long life Inter Milan!
Merci aux Crestou, Cathy et Jacques, pour leur sympathie et leur intarissable source de
ragots. La préparation d’échantillons devient de suite plus intéressante !
Merci à tous les membres du service microscopie, Yannick, Florent et Sébastien, pour leur
aide précieuse concernant cette bête magique qu’est le microscope électronique à
transmission.
Merci à tous les stagiaires, doctorants et post-doctorants qui sont tous d’une sympathie hors-
norme et qui participent à la super ambiance qui règne dans ce labo... En particulier, je vais
nommer Florian, Nelson, Dodo, Rwanito, Gogo, Soso, Nono, Marmotte, Houria, Rémi...
J’en oublie des tonnes évidemment, mais ça ne veut pas dire que je ne pense pas à vous !!
Merci à tous les footeux du CEMES. J’ai pris plaisir à faire plein de petits ponts à Olivier,
Marc, Niko, Greg, Benj... Sans rancune j’espère !
Merci enfin à ma famille, sans qui je ne serai pas où j’en suis maintenant.

Table des matières
Introduction générale……………………………………………………..
Références………………………………………………………………………………..
Chapitre 1 : Introduction des oxydes à grande permittivité dans les
dispositifs de la nanoélectronique………………………………………...
I Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET)....
I-A Contexte historique et économique................................................................
I-A.1 Le transistor........................................................................................................
I-A.2 Feuille de route (ITRS)......................................................................................
I-B Contexte technologique : la miniaturisation...................................................
I-B.1 Réduction de la longueur de grille LG................................................................
I-B.2 Augmentation de la mobilité des porteurs μ dans le canal.................................
I-B.3 Augmentation de la densité de capacité Cox/S....................................................
REDUCTION DE L’EPAISSEUR DE L’OXYDE DE GRILLE...........................................
CONSTANTE DIELECTRIQUE ET EOT.............................................................................
MATERIAUX..........................................................................................................................
II Les mémoires................................................................................................
II-A La mémoire non volatile (NVM)..................................................................
II-A.1 Principe de fonctionnement..............................................................................
II-A.2 Evolution technologique et matériaux..............................................................
II-B La mémoire vive dynamique (DRAM).........................................................
II-B.1 Principe de fonctionnement...............................................................................
II-B.2 Evolution technologique et matériaux..............................................................
III Critères de définition et choix des futurs diélectriques à grande
permittivité..........................................................................................................
Conclusion...........................................................................................................
Références..........................................................................................................................
Chapitre 2 : Avantages et inconvénients des oxydes de métaux de
transition/terres rares comme alternative à SiO2 en nanoélectronique..
I Propriétés générales d'oxydes de métaux de transition et de terres rares.....
I-A Configuration électronique externe, contraction lanthanidique,
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stœchiométrie............................................................................................................
I-B Etat de cristallisation et stabilité des phases...................................................
I-B.1 Les oxydes de métaux de transition ZrO2 et HfO2.............................................
I-B.2 Les oxydes de terre rare......................................................................................
I-B.3 Etat de cristallisation et nanoélectronique..........................................................
I-C Constante diélectrique (permittivité) κ et phase cristallographique...............
I-D Structure de bandes et courant de fuite...........................................................
I-D.1 Largeur de bande interdite et constante diélectrique..........................................
I-D.2 Décalages des bandes de valence et de conduction par rapport à celles du
substrat semiconducteur et courant de fuite.....................................................................
I-E Stabilité vis-à-vis du substrat et formation d'une couche interfaciale.............
I-E.1 Cas du silicium...................................................................................................
I-E.2 Cas du germanium..............................................................................................
I-E.3 Avantages et inconvénients d’une couche interfaciale.......................................
I-F Cas particulier des lanthanides : hygroscopicité et incorporation du carbone
I-F.1 Etat massif...........................................................................................................
I-F.2 Cas de films minces............................................................................................
II Méthodes de préparation...............................................................................
II-A Epitaxie par jets moléculaires.......................................................................
II-B Dépôt physique en phase vapeur...................................................................
II-C Dépôt chimique en phase vapeur...................................................................
II-D Comparaison des différentes méthodes.........................................................
II-E Dépôt chimique de couches atomiques : principe et paramètres...................
II-E.1 Principe..............................................................................................................
II-E.2 Précurseurs........................................................................................................
II-E.3 Etat de surface du substrat.................................................................................
II-E.4 Températures de croissance et d’évaporation...................................................
II-E.5 Cycles................................................................................................................
Conclusion...........................................................................................................
Références..........................................................................................................................
Chapitre 3 : Méthodologie : mesure des paramètres structuraux et
chimiques et des propriétés électriques......................................................
I Contexte de l’étude.......................................................................................
II Qualification structurale, chimique et électrique..........................................
II-A Qualité structurale.........................................................................................
II-A.1 Ellipsométrie spectroscopique : épaisseur du film............................................
II-A.2 Diffraction de rayons X en incidence rasante : état de cristallisation et
structure cristallographique.............................................................................................
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