Elaboration et caractérisation de structures métal-isolant

Elaboration et caract´erisation de structures
m´etal-isolant-m´etal `a base de TiO2 d´epos´e par Atomic
Layer Deposition
John Pointet
To cite this version:
John Pointet. Elaboration et caract´erisation de structures m´etal-isolant-m´etal `a base de TiO2
d´epos´e par Atomic Layer Deposition. Micro et nanotechnologies/Micro´electronique. Universit´e
Grenoble Alpes, 2015. Fran¸cais. <NNT : 2015GREAT089>.<tel-01240836>
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Submitted on 9 Dec 2015
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES
Spécialité : Nano Electronique Nano Technologie
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
John POINTET
Thèse dirigée par Ahmad BSIESY
préparée au sein du Laboratoire des Technologies de la
Microélectronique (LTM)
dans l'École Doctorale EEATS
Elaboration et caractérisation de
structures Métal – Isolant – Métal à
base de TiO2 déposé par Atomic
Layer Deposition
Thèse soutenue publiquement le
5 novembre 2015
devant le jury composé de :
Mr Etienne GHEERAERT
Professeur à l’Université Joseph Fourier (Président)
Mr Antoine GOULLET
Professeur à l’Université de Nantes (Rapporteur)
Mr Brice GAUTIER
Professeur à l’INSA Lyon (Rapporteur)
Mr Ahmad BSIESY
Professeur à l’Université Joseph Fourier (Invité)

1
Remerciements
Je souhaite tout d’abord remercier les membres du jury, Etienne Gheeraert, Antoine Goullet et
Brice Gautier, pour avoir examiné cette thèse et donner leurs appréciations concernant le
travail effectué.
Je voudrais ensuite remercier tout particulièrement mon directeur de thèse, Ahmad Bsiesy,
pour l’opportunité qu’il m’a donnée de travailler sur ce projet. L’encadrement régulier qu’il a
assuré tout au long du travail de thèse a permis d’orienter mes travaux de recherche tout en me
laissant une grande autonomie afin de mener à bien ce projet.
J’aimerais adresser de sincères remerciements à Laurence Latu-Romain, Patrice Gonon, et
Christophe Vallée de l’équipe matériaux du LTM pour l’aide qu’ils m’ont apportée durant ces
travaux.
Je souhaite vivement remercier le personnel technique de la PTA et du CIME Nanotech pour leur
dynamisme et leur capacité à assurer des moyens technologiques indispensables à la conduite
de mes travaux de recherche. Je pense à Stéphane Litaudon, Delphine Constantin, Loïc Vincent,
Thierry Chevolleau, Christophe Lémonias et Frédérick Gustavo.
Je remercie aussi Corinne Perret du LTM pour son soutien sur l’équipement ALD et sa bonne
humeur !
Je souhaiterais maintenant remercier des personnes extérieures au projet de recherche initial
dont les noms sont les suivants : Agathe André, Stéphane Auffret et Jean-Paul Barnes. Merci à
eux pour l’aide ponctuelle apportée au cours de cette aventure notamment grâce à leur
expertise dans des thématiques de recherche précises.
Je tiens également à remercier l’intégralité de l’équipe du laboratoire LTM pour son accueil
agréable au sein de ses membres qu’ils soient permanents ou non permanents.
Je voudrais enfin remercier mes amis et surtout ma famille qui a toujours constitué pour moi un
soutien de tous les instants.

2
SOMMAIRE
Introduction générale 7
Chapitre 1 12
Introduction aux matériaux diélectriques en
Microélectronique
I. Les condensateurs 13
II. Les applications visées 17
1) Les diélectriques des condensateurs de mémoire DRAM 17
2) Les diélectriques pour condensateurs de découplage et de liaison 19
a) Condensateur de découplage
b) Condensateur de liaison
3) Diélectriques pour condensateurs MIM RF & analogiques 19
III. Les diélectriques utilisés et leurs propriétés 20

3
1) Les différentes catégories de diélectriques 20
a) Diélectrique à faible permittivité
b) Diélectrique à permittivité moyenne
c) Diélectrique à forte permittivité
2) Propriétés électriques et physiques de ces diélectriques 25
a) Permittivité complexe et pertes diélectriques
b) Phénomènes de relaxation diélectriques : comportement fréquentiel
c) Effet du champ électrique
d) Piézoélectricité et ferroélectricité
Chapitre 2 43
Techniques expérimentales
I. La technique de dépôt de diélectriques par ALD 43
1) Le cycle standard ALD 44
2) Les réacteurs ALD 47
3) Conditions de dépôt en régime ALD : la fenêtre ALD 48
4) Les limites de l’ALD 50
5) Caractéristiques de l’équipement ALD utilisé 51
a) Les différents organes de l’équipement ALD