Utilisation des condensateurs MIM comme mémoires dynamiques, DRAM

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Utilisation des condensateurs MIM comme mémoires dynamiques, DRAM

Les condensateurs MIM sont utilisés dans différentes applications telles les mémoires dynamiques DRAM (Dynamic Random Access Memory), les capacités de découplage, les capacités de liaison et dans des applications en radio fréquence et en électronique analogique [11]. Dans cette thèse, l‟étude des MIM est réalisée dans le cadre des applications de mémoires DRAM.

Les propriétés recherchées pour ce type d‟application visent une forte densité de la capacité par unité de surface et une minimisation du courant de fuite qui impacte la durée de rétention de charges.

La structure de la mémoire DRAM

La mémoire DRAM est une mémoire volatile largement utilisée dans tous les ordinateurs. Elle a été inventée par IBM en 1966 [12].

Chaque cellule DRAM, dite 1T1C, est constituée d’un transistor MOS (1T) assurant la sélection et d‟un condensateur (1C) utilisé pour stocker l‟information sous forme de charge comme représenté sur la Figure 1.3.

Ainsi, chaque cellule représente un bit de mémoire. Pour activer une cellule mémoire, une commande 1 est appliquée sur la ligne de mot (word line (WL)), le transistor est alors passant et le condensateur est connecté sur la ligne de « bit » (bit ligne (BL)) pour effectuer l‟écriture ou la lecture.

Ainsi, pour l‟écriture d‟un 1 ou d‟un 0, le condensateur sera chargé par la BL qui est à ‟1‟, ou déchargé par la BL qui est à ‟0‟, respectivement. Pour la phase de lecture, la WL est activée à ‟1‟ ce qui permet de connecter le condensateur à la BL. Il s‟agit ensuite de déterminer le niveau de potentiel électrique aux bornes de la capacité en comparant à une cellule référence qui peut être dans l‟état „1‟ par exemple.

Critères de performances des condensateurs MIM utilisés dans les DRAM

Densité de capacité et courant de fuite

La charge stockée dans la cellule mémoire, c‟est-à-dire aux bornes du condensateur, diminue au cours du temps d‟où la nécessité de la recharger régulièrement. Cette procédure est nommée opération de rafraichissement et elle est effectuée avec une période de l‟ordre de quelques millisecondes, ce qui représente une contrainte très importante pour l‟utilisation de ce type de mémoire. Cela montre l‟intérêt de diminuer au maximum les courants de fuite dans l‟isolant au sein du condensateur pour diminuer la fréquence de rafraichissement.

Le nombre de condensateurs dans un composant mémoire DRAM détermine sa capacité de stockage, d‟où la nécessité de minimiser la surface occupée par chaque condensateur pour obtenir une densité de stockage élevée.

En résumé, dans une mémoire DRAM la charge maximale doit être conservée le maximum de temps. Pour cela, le diélectrique d‟un condensateur MIM doit avoir deux propriétés majeures: un faible courant de fuite et une grande valeur de densité de capacité.

Pendant de longues années, le diélectrique utilisé dans ces condensateurs a été l‟oxyde de silicium, SiO2. Ce dernier a ensuite été remplacé par un diélectrique voisin ; l‟oxynitrure de silicium (SiON). L‟intérêt majeur de ces matériaux est qu‟ils possèdent de très faibles courants de fuite. Cependant, l‟augmentation de capacité surfacique des structures MIM (densité de stockage des DRAM) nécessite la diminution de l‟épaisseur du diélectrique, ce qui induit une augmentation du courant de fuite car on atteint pour le SiO2 et le SiON la limite de courant de fuite par effet tunnel. C‟est pourquoi les fabricants de circuits intégrés se sont tournés ces dernières années vers des matériaux à haute permittivité diélectrique qui permettent d‟atteindre des capacités élevées à des épaisseurs de couche suffisantes pour éviter les fuites de courant par effet tunnel.

En effet, la capacité d‟un condensateur plan exprimée par la relation (1.8) montre qu‟elle dépend de la constante diélectrique de l‟isolant , de son épaisseur d et de la surface des électrodes en regard. Ainsi, si cette dernière doit être diminuée pour augmenter la densité de stockage, il faudra soit diminuer l‟épaisseur d soit augmenter la constante diélectrique afin de garder constante la valeur de la capacité.  (1.8)

Les isolants à haute permittivité diélectrique utilisés sont principalement l‟alumine, l‟oxyde d‟hafnium, ou de zirconium, ou de tantale,.. (Al2O3, HfO2, ZrO2, Ta2O5,….).

Concernant la problématique du courant de fuite, rappelons qu‟un diélectrique est un isolant qui ne conduit pas le courant lorsqu‟on lui applique une tension continue. Cependant, lorsqu‟il s‟agit de couches très minces d‟isolants, un courant de fuite peut être observé. Ce courant peut être dû à différents mécanismes dont certains sont liés à l‟existence de défauts dans le diélectrique et d‟autres à une conduction limitée par les propriétés électriques des interfaces avec les électrodes, notamment la hauteur de barrière d‟énergie métal/diélectrique. Ainsi, il existe deux catégories de conduction: la conduction limitée par le volume du diélectrique et la conduction limitée par les électrodes.

Dans la condition limitée par les électrodes, on peut définir deux mécanismes. Le premier mécanisme de conduction est l‟effet Schottky où des porteurs sont injectés depuis l‟électrode dans le diélectrique en passant au-dessus de la barrière de potentiel formée à l‟interface entre le métal et l‟isolant. Le deuxième mécanisme est la conduction par effet tunnel pour lequel une particule quantique (ici l‟électron) peut franchir une barrière de potentiel à condition que l‟épaisseur de cette dernière soit suffisamment faible.

Dans la conduction limitée par le volume, on peut définir deux types de conduction. Le premier est l‟effet Poole-Frenkel où la conduction est liée à la présence de défauts piégés dans le diélectrique, ce qui permet aux électrons de se déplacer par sauts successifs entre les états dans la bande interdite. Le deuxième est la conduction ionique où les ions migrent dans le diélectrique.

Dans le cas des diélectriques à haute permittivité, le gap, la densité de défauts dans le volume et l‟état des interfaces sont les trois effets majeurs responsables du courant de fuite dans les condensateurs MIM. Dans cette thèse nous verrons que l‟état des interfaces joue le rôle fondamental sur la caractérisation électrique et diélectrique des condensateurs MIM, d‟où l‟importance du choix du couple des matériaux diélectrique-électrode afin de minimiser la conduction limitée par les électrodes.

Tension de claquage et linéarité de la capacité en tension

Il existe deux autres critères de performance à prendre en compte pour l‟intégration des condensateurs MIM. Il s‟agit de la tension de claquage et de la linéarité de la capacité en fonction de la tension.

La tension de claquage, ou plus précisément le champ de claquage, est le seuil de détérioration de l‟oxyde qui devient perméable au courant en raison de la création d‟un chemin de conduction irréversible en son sein. Le champ de claquage EBD varie d‟un diélectrique à un autre. Le champ est directement lié à la constante diélectrique du matériau par la relation suivante [14] :  (MV/cm) (1.9)

Un bon diélectrique est caractérisé par des faibles variations de sa capacité en fonction de la tension continue appliquée à ses bornes. Cette propriété est très recherchée dans les applications, notamment en RF et en analogique. Cependant, on observe dans les diélectriques des propriétés de non-linéarité de leur capacité en fonction de la tension. Cette variation de la capacité suit généralement une loi polynomiale du second degré donnée par la relation suivante [15] : C(V)=C0 (1+C1.V+C2.V2) (1.10)

C0 la valeur de la capacité à 0V

C1 coefficient linéaire en ppm/V.

C2 coefficient quadratique en ppm/V2.

Les différents matériaux diélectriques : choix de l’oxyde de titane

Comme dit précédemment, l‟oxyde de silicium a été le premier matériau utilisé dans les technologies silicium pour plusieurs applications grâce à ses propriétés électriques uniques et à sa stabilité chimique, mais il ne peut plus être utilisé comme diélectrique dans les DRAM à cause de sa trop faible constante diélectrique [16].

Différents diélectriques dits high-k peuvent potentiellement remplacer le SiO2. Ces matériaux à forte permittivité diélectrique parmi lesquels le HfO2, l‟Al2O3, le ZrO2, le Ta2O5, ont été largement étudiés ces quinze dernières années (Figure 1.4) [17-21]. Les principaux matériaux high-k sont représentés sur la figure 1.4 qui donne la largeur de la bande interdite en fonction de la constante diélectrique. Il est intéressant de noter que les matériaux avec la plus forte constante diélectrique ont une largeur de bande interdite plus faible. Il existe d‟autres matériaux diélectriques qui possèdent des constantes diélectriques très élevées (> 1000), comme ceux de la famille des pérovskites, mais leur utilisation dans les DRAM ne peut pas être envisagée à cause de leurs trop grands courants de fuite et de leurs faibles champs de claquage [22-24].

L‟oxyde de titane (TiO2) fait partie des oxydes high-k les plus étudiés car il possède une constante diélectrique qui peut atteindre 170 dans sa phase cristalline rutile [25, 26].

En effet, le TiO2 cristallise dans trois phases différentes, le rutile, l‟anatase, et la broxite. Le rutile et l’anatase sont des structures tétragonales, où chaque atome de titane est entouré de six atomes d‟oxygène et chaque atome d‟oxygène est lui-même entouré de trois atomes de titane. Les paramètres de maille de la structure anatase sont a=b=0,37 nm, et c=0,95 nm, et a=b=0,45 nm et c=0,295 nm pour la structure rutile [27].

La structure anatase possède des constantes diélectriques entre 30 et 50, en fonction de l‟orientation de la maille selon l‟axe c. Par contre, la structure rutile possède des constantes plus importantes, de l‟ordre de 89 pour une maille perpendiculaire à l‟axe c et de l‟ordre de 170 pour une maille orientée préférentiellement parallèlement à l‟axe c. Un dépôt d‟oxyde de titane à haute température (> 700°C) favorise l‟obtention de la structure rutile alors qu‟un dépôt à plus basse température conduit à l‟obtention de la phase anatase [28].

Or, l‟élaboration des mémoires DRAM dans un circuit intégré intervient lors de la phase dite BEOL (Back-End Of the Line), c‟est-à-dire après la fin des étapes de fabrication des transistors. Par conséquent, un faible budget thermique doit être respecté lors de la fabrication des DRAM afin de ne pas altérer la structure des transistors sous-jacents, ce qui limite la phase BEOL à des températures inférieures à 400°C. Ces températures conduiraient alors à un dépôt d‟oxyde de titane dans sa phase anatase.

Deux approches ont été envisagées pour contourner ce problème et obtenir la phase rutile même à des faibles températures. La première consiste à procéder à un bombardement ionique de la couche de TiO2 anatase déposée suivi d‟un traitement thermique à basse température. Cependant, cette approche peut aboutir à des problèmes au niveau du courant de fuite et de la constante diélectrique du matériau qui reste inférieure à celle de la phase rutile [29- 31].

La deuxième approche, beaucoup plus adaptée, consiste à utiliser l‟oxyde de ruthénium (RuO2), oxyde conducteur de structure rutile, comme électrode inférieure sur laquelle le TiO2 est déposé à basses températures. Ainsi, on tire profit de la très faible différence des paramètres de maille entre les deux matériaux (1.11 et 1.12) pour orienter la croissance de la phase rutile de TiO2.

Cette approche permet d‟obtenir des couches de TiO2 rutile déposées par ALD à des températures inférieures à 250 °C avec de très bonnes propriétés diélectriques [32].

La bande interdite du TiO2 est relativement faible par rapport aux autres diélectriques, de l‟ordre de 3,1 eV et 3,23 eV pour les phases rutile et anatase respectivement [33]. De plus, différents types de défauts ont été identifiés dans les couches de TiO2, notamment les défauts intrinsèques liés aux lacunes d‟oxygène (anion) et aux interstitiels de titane (cation) [33]. Ces défauts peuvent générer deux différents types de conduction électrique; le transport électronique par saut sur les états électroniques des défauts (hopping) ou le transport ionique sur les lacunes.

Résumé de l’état de l’art bibliographique de l’étude de TiO2 comme isolant dans les MIM

De nombreux travaux ont été consacrés ces quinze dernières années à l‟étude du dioxyde de titane comme isolant dans les MIM [34, 40]. Nous donnons ici un résumé des principaux résultats obtenus sur le dépôt de TiO2 sur RuO2 et qui constituent le point de départ de ce travail de thèse.

Croissance de la phase rutile de TiO2

Dépôt de TiO2 sur Ru et RuO2

La croissance de la phase TiO2 rutile a été explorée par plusieurs équipes de recherche dont celle de notre laboratoire [11, 32, 41, 45-47]. Différentes études ont concerné la croissance de TiO2 rutile à basses températures sur une couche de ruthénium, ou d‟oxyde de ruthénium.

Le ruthénium est un matériau qui appartient à la famille des métaux de transition (Rh, Pd, Ir, Pt, Au), il possède une faible résistivité comme montre le montre la figure 1.5 [42]. Ce matériau est déjà intégré dans différents dispositifs de mémoires DRAM et ReRAM [43, 44].

Les premières études du dépôt de TiO2 à basses températures ont été réalisées par dépôt ALD sur une couche de ruthénium. Ces études ont permis de mettre en évidence une structure rutile de TiO2 sur Ru avec de bonnes propriétés électrique et diélectrique [45-47]. Choi et al. ont montré qu‟une constante diélectrique de l‟ordre de 80 est obtenue pour TiO2 déposé sur une couche mince de ruthénium avec un buffer de TiN [45]. D‟autres études ont souligné l‟importance de la technique de dépôt de la couche de Ru sur les propriétés diélectriques des couches TiO2. Une constante diélectrique de 83 a été obtenue pour TiO2 déposé sur Ru obtenu par pulvérisation cathodique PVD. En revanche, une constante de 100 a été mesurée pour des couches de TiO2 déposées sur ruthénium obtenu par ALD [46].

La phase TiO2 rutile est obtenue sur une couche de ruthénium grâce à la création de quelques nanomètres de RuO2 lors de l‟étape d‟oxydation (O3, O2 plasma…) d‟un cycle ALD. En effet, quelques monocouches de RuO2 sont suffisantes pour favoriser la phase rutile de TiO2 .

D‟autres études présentent l‟intérêt de déposer le TiO2 directement sur une couche de RuO2. En outre, le RuO2 est l’oxyde de ruthénium thermodynamiquement le plus stable. De plus, c‟est un candidat très intéressant pour une utilisation dans la future mémoire DRAM, en raison de son grand travail de sortie (5,1eV), sa conductivité électrique supérieure à certains métaux purs du tableau périodique comme montre la figure 1.5, et la possibilité de graver ce matériau facilement [49- 51]. D‟après la littérature, la couche de RuO2 est obtenue par deux méthodes différentes. Dans la première, la couche de Ru est oxydée thermiquement sous ozone ou par plasma d’oxygène. Ce procédé conduit à la formation de la couche avec un mélange RuO2/Ru [52]. Le TiO2 déposé sur de telles couches présente de bonnes propriétés électriques avec des constantes diélectriques comprises entre 90 et 103 [32, 41, 46, 53, 54]. Dans la deuxième méthode, une couche RuO2 stœchiométrique est déposée en utilisant des procédés de MOCVD, ALD ou d’autres techniques de dépôt [55-60]. Le dépôt de TiO2 sur un bulk de RuO2 permet d‟avoir une structure rutile épitaxiée avec des constantes diélectriques comprises entre 120 et 155 [61-63].

Dans notre laboratoire, Pointet et al. ont montré que le dépôt de TiO2 sur une couche mince de RuO2 obtenu par l‟oxydation par plasma d‟oxygène d‟une couche de Ru permet la formation d‟une couche de TiO2 rutile, comme le montre la figure 1.6. De plus, une constante diélectrique de 107 a été obtenue dans le cas de TiO2 déposé sur RuO2. Par ailleurs, pour ces couches obtenues en phase rutile, le mode de conduction par effet Schottky a été mis en évidence. Il est à l‟origine des courants de fuite observés dans les structures MIM à base de TiO2.

Dopage de TiO2

Les structures MIM à base de TiO2 rutile non-dopé possèdent une constante diélectrique élevée (>100) mais souffrent d‟un courant de fuite relativement élevé comme le montre la figure 1.7. Ceci est dû à la présence de défauts intrinsèques comme les lacunes d‟oxygène. Ces lacunes d‟oxygène agissent comme des donneurs d‟électrons se situant à un niveau de 0,75 eV de la bande de conduction [64].

Ces lacunes vont favoriser la conduction des électrons par saut (hopping), d‟où une augmentation du courant de fuite. Le dopage (de type p) de TiO2 par l‟aluminium permet de compenser le dopage n et entraine une réduction importante du courant de fuite, comme le montre la figure 1.7. Le dopage par l‟aluminium est fait par substitution des atomes de titane ou par de l‟aluminium interstitiel [65-68].

Le dopage du TiO2 est effectué au cours de sa croissance par ALD en utilisant le triméthylaluminium (TMA) comme précurseur Al et un plasma O2 comme oxydant. On obtient alors une alternance de dépôts TiO2 et Al2O3 et la couche est appelée ATO. Ce dopage est possible en insérant un cycle de l‟élément dopant (Aluminium) tous les n cycles ALD de TiO2 comme le montre la figure 1.8. Par exemple, une couche de ATO 1/60 est obtenue en utilisant un cycle d‟aluminium tous les 60 cycles de TiO2.

Figure 1.8. Schéma de principe de l’évolution de la pression en fonction du temps dans la chambre de réaction lors d’un cycle ALD pour le dépôt de TiO2 dopé aluminium [11]

Le dopage par l‟aluminium permet de diminuer le courant de fuite comme le montre la figure 1.7, mais il entraine en même temps une dégradation de la valeur de la constante diélectrique comme le montre la figure 1.9. Cette diminution est attribuée selon Kim et al. à la faible polarisabilité de la liaison Ti-O-Al [69].

Un compromis doit donc être trouvé entre la diminution indispensable du courant de fuite et la conservation d‟une constante diélectrique élevée. J. Pointet et al. ont montré (figure 1.9) que le dopage optimal correspond à un ATO 1/60 (un cycle ALD aluminium tous les 60 cycles ALD titane).

Effet des précurseurs du procédé ALD sur le dépôt de TiO2

Le dépôt de TiO2 par ALD peut être réalisé en utilisant différents précurseurs de titane (le TDMAT, le TTIP, le TiCl4 et le méthylate de titane) et différentes sources d‟oxygène comme l’ozone (O3), l’oxygène plasma (O2), et également l‟H2O [41, 46, 70-72].

Il n‟existe que très peu de travaux sur l‟influence de la nature du précurseur métallique sur les propriétés électriques ou structurales des couches TiO2 déposées sur RuO2. Un résultat obtenu par Hudec et al. montre que l‟utilisation du précurseur TiCl4 combiné à H2O comme source d‟oxygène peut aboutir à une constante diélectrique de 136, supérieure à celle de 103 obtenue en utilisant le TTIP et O3. Cette différence a été attribuée à une taille de grain de la couche TiO2 plus importante dans le cas de TiCl4 provenant d‟une plus haute température de dépôt [73].

Concernant le rôle joué par la nature de la source d‟oxygène, il existe un nombre significatif d‟articles qui décrivent un effet important sur les propriétés électrique et diélectrique de TiO2 déposé par ALD. Par exemple, une étude sur le dépôt du TiO2 sur RuO2 « bulk » à partir de TiCl4 comme source de titane a montré l‟obtention de valeurs de constantes diélectriques comprises entre 141 et 167 avec H2O comme agent oxydant, et des valeurs plus faibles, entre 106 et 126, avec O3 comme agent oxydant [62].

Cette différence est due à la qualité d‟interface entre le diélectrique et l‟oxyde de ruthénium, qui est assez dégradée dans le cas de l‟ozone, car O3 grave facilement RuO2, ce qui induit ainsi des défauts dans la couche de TiO2 [71].

Une autre étude a permis de mettre en évidence l‟effet bénéfique de la source d‟oxygène pour une oxydation plus efficace de la couche de titane lors du dépôt de TiO2 par ALD. Ainsi, l‟utilisation d‟un plasma N2O comme source d‟oxygène a permis d‟obtenir une constante diélectrique de TiO2 de 104 environ alors qu‟elle n‟était que de 87 dans le cas d‟une source O2. Ce résultat a été attribué à la production plus efficace des radicaux d‟oxygène dans le plasma N2O qui peuvent oxyder plus fortement la couche de TiO2 rutile [74].

La nature de la source d‟oxygène s‟est avérée également importante pour contrôler l‟état d‟oxydation de la couche de RuO2 au cours du dépôt du TiO2. En effet, Popovici et al. ont étudié l‟impact de la source d‟oxygène sur l‟altération ou la préservation de la couche de RuO2 suite aux réactions chimiques intervenant dans les premiers stades de dépôt de la couche de TiO2. Ils ont constaté qu‟une couche de TiO2 de structure anatase est obtenue lorsque H2O est utilisé, alors qu‟une structure rutile est observée si l‟ozone O3, est utilisé. Ils ont attribué ce résultat à la formation de la couche RuTiOx à la surface de RuO2 dans le cas du H2O ce qui entraine la perte de la structure rutile de RuO2. En revanche, l‟ozone a un pouvoir oxydant plus fort qui entraine la réoxydation de Ru et la restauration de la couche de RuO2 comme l‟ont montré par ailleurs Lee et al [70-72].

Comportement des couches de TiO2 rutile en fonction de la fréquence: influence des lacunes d’oxygène et du dopage en aluminium

Une partie de ce travail de thèse a été consacrée à l‟étude de l‟évolution de la capacité des couches de TiO2 rutile à hautes fréquences. Nous faisons ici une synthèse bibliographique des travaux effectués récemment dans notre laboratoire à basses fréquences et qui représente une base de départ importante à l‟étude qui sera détaillée dans un chapitre de cette thèse. Ainsi, Kassimi a étudié l‟évolution de la constante diélectrique des couches de TiO2, mesurée à 1kHz, en fonction du dopage en aluminium [75, 76].

Les résultats obtenus mettent en évidence le rôle fondamental des défauts dans la couche de TiO2, notamment des lacunes d‟oxygènes.

Plus précisément, une relativement faible constante diélectrique, de l‟ordre de 67 à 1kHz, a été obtenue sur la structure Au/TiO2/RuO2/Ru. Cette valeur est nettement inférieure à la valeur attendue entre 86 et 170. Cette faible valeur avait été attribuée à la présence des lacunes d‟oxygène dans la couche de TiO2 ainsi qu‟à la qualité de l‟interface avec l‟or. Une modélisation de ces effets avait été réalisée.

Selon ce modèle, la constante diélectrique des structures TiO2 non dopé ε’ et les polarisabilités sont reliées par l‟équation (1.13) de Clausius-Mossotti: ( ) (1.13)

Avec Vm=V/N le volume molaire et la polarisabilité totale α = αi + αe.

Selon ce modèle, la diminution de la polarisabilité expérimentale de 0,16 Å3 par rapport à la polarisabilité théorique de TiO2 peut être attribuée à la perte de 0,08 atomes d‟oxygène par molécule de TiO2. Ceci correspond à un déficit de 4% en atomes d‟oxygène en moyenne sur le matériau. Ce résultat met en évidence le rôle très important des lacunes d‟oxygène sur la forte diminution de la constante diélectrique du TiO2.

De même, l‟effet du dopage par Al sur la constante diélectrique de TiO2 rutile avait été étudié, en supposant que l‟octaèdre [AlO6] dans TiO2 dopé par l‟aluminium est similaire à l‟octaèdre [AlO6] dans Al2O3.

Avec N1 le nombre des sites Al dans la couche de TiO2 dopé et N2 le nombre de sites Ti dans la couche de TiO2 dopé. α2 est la polarisabilité de Ti et V2 le volume occupé par cette unité. α1 est la polarisabilité de Al et V1 est le volume occupé par cette unité. Le taux de dopage Al dans une couche TiO2 est défini par la relation 1.15. (1.15)

En s’appuyant de nouveau sur l’équation (1.13) et en remplacent N1 et N2 par X, l’expression du taux de dopage en fonction de la polarisabilité et de la constante diélectrique sera donnée par la relation suivante 1.16: X ( ) (1.16) est la constante diélectrique de Al2O3 égale à 10,5. est la constante diélectrique de TiO2 non dopé et égale à 67.

Le taux de dopage X est calculé en se basant sur les constantes diélectriques mesurées dans les structures TiO2 dopées 1/90 ( = 61), 1/60 ( = 55) et 1/30 ( = 49). Ces points permettent de tracer l’évolution de la constante diélectrique en fonction du taux de dopage. De même, une prédiction théorique en utilisant l’équation (1.16) est tracée sur la figure 1.10 pour une phase rutile stœchiométrique de TiO2 (‟= 128). Cette figure met en évidence l’effet combiné du dopage et des lacunes d’oxygène sur la constante diélectrique.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Contexte général de l’étude
I. Introduction
II. Condensateur Métal/Isolant/Métal (MIM)
II.1. Origine de la permittivité diélectrique
II.2. Utilisation des condensateurs MIM comme mémoires dynamiques, DRAM
II.2.1. La structure de la mémoire DRAM
II.2.2. Critères de performances des condensateurs MIM utilisés dans les DRAM
II.2.2.1. Densité de capacité et courant de fuite
II.2.2.2. Tension de claquage et linéarité de la capacité en tension
III. Les différents matériaux diélectriques : choix de l’oxyde de titane
IV. Résumé de l’état de l’art bibliographique de l’étude de TiO2 comme isolant dans les MIM
IV.1. Croissance de la phase rutile de TiO2
IV.1.1. Dépôt de TiO2 sur Ru et RuO2
IV.1.2. Dopage de TiO2
IV.1.3. Effet des précurseurs du procédé ALD sur le dépôt de TiO2
IV.2. Comportement des couches de TiO2 rutile en fonction de la fréquence: influence des lacunes d’oxygène et du dopage en aluminium
V. Les condensateurs MIM en 3D
V.1. Condensateurs MIM planaires
V.2. Condensateurs MIM 3D
Chapitre 2 : Méthodes Expérimentales : Techniques d’élaboration et de caractérisation des structures MIM
I. Le dépôt par couches atomiques (ALD)
I.1. Principe du précédé ALD
I.2. Réactions chimiques de surface
I.3. Influence des paramètres sur le mode de croissance ALD
I.3.1. Effet de la température de dépôt
I.3.2. Effet du nombre de cycles de dépôt
I.4. Précurseurs
I.5. Equipement ALD
II. Gravure par DRIE
II.1. Principe de la gravure DRIE
II.1.1. Procédé Bosch
II.2. Paramètres expérimentaux influençant la gravure
II.3. Equipement de gravure ionique réactive
III. Techniques de caractérisation physico-chimique
III.1. Spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
III.1.1. Principe physique
III.1.2. Liaison chimique
III.1.3. Energie de liaison
III.1.3.1. Déplacement chimique
III.1.3.2. Effet de charge
III.1.4. Profondeur d’analyse
III.1.5. Différents modes d’analyse par XPS
III.1.5.1. Mode d’analyse angulaire
III.1.5.2. Analyse XPS par abrasion
III.1.6. Instrumentation
III.1.7. Traitement des spectres XPS
III.2. Spectroscopie Raman
III.3. Diffractométrie de rayons X (XRD)
III.4. Réflectométrie de rayons X (XRR)
III.5. Microscopie à force atomique (AFM)
Chapitre 3 : Etude des mécanismes de croissance de TiO2 déposé par ALD sur une couche de RuO2: Rôle du précurseur oxydant
I. Effet des précurseurs oxydants
I.1. La fenêtre ALD pour le dépôt de TiO2
I.2. Mesure de la constante diélectrique
I.3. Caractérisation par XRD
I.4. Caractérisation par spectroscopie RAMAN
II. Caractérisation par XPS des couches de TiO2
II.1. Mesures XPS à angle variable
II.2. Analyses XPS résolues en profondeur
III. Analyses par TEM et XRR
IV. Discussion des résultats et modèle de réactions chimiques d’interface
V. Etude du pompage d’oxygène de la couche RuO2
VI. Conclusion
Chapitre 4 : Etude de l’Influence des électrodes sur les propriétés diélectriques des structures MIM
I. Etude de l’impact de l’électrode inférieure
I.1. Cas de TiO2 non dopé
I.1.1. Etude de la Constante diélectrique
I.1.1.1. Caractérisation des couches de TiO2 par XPS
I.1.1.2. Caractérisation des couches de TiO2 par XRD
I.1.1.3. Analyses par AFM
I.1.2. Etude de la conductivité des couches de TiO2
I.2. Cas de TiO2 dopé aluminium
I.2.1. Etude de la constante diélectrique
I.2.2. Analyses par AFM
I.2.3. Etude de la conductivité des couches de TiO2 dopées
II. Impact de l’électrode supérieure
II.1. Etude de la capacité des structures MIM
II.1.1. Caractérisation par XPS
II.1.1.1. Le cas de l’aluminium
II.1.1.2. Le cas du titane
II.1.1.3. Le cas de l’or
II.1.1.4. Le cas du platine
II.2. Discussion et interprétation des résultats expérimentaux
III. Conclusion
Chapitre 5 : Elaboration et caractérisations des structures MIM tridimensionnelles à base d’oxyde de titane
I. Elaboration des structures MIM 3D
I.1. La photolithographie
I.1.1. Photolithographie des motifs
I.2. Gravure du silicium
I.2.1. Gravure par procédé Bosch
I.2.1.1. Influences des paramètres de gravure sur les profils des motifs gravés
I.2.1.2. Influence des dimensions et des formes des motifs d’ouvertures
I.2.1.3. Dépôt de l’oxyde de silicium et du ruthénium
I.2.2. Motifs gravés à flancs inclinés
I.2.2.1. Première étape de gravure : Plasma SF6 et O2
I.2.2.1.a. Etude de l’effet du débit d’oxygène
I.2.2.1.b. Etude de l’effet du débit de SF6
I.2.2.1.c. Etude de l’effet de la puissance d‟autopolarisation
I.2.2.1.d. Etude de l’influence de l’ouverture et de la forme des motifs
I.2.2.2. Etude de la deuxième étape de gravure
I.3. Dépôt des couches de la structure MIM
II. Substrat avec motifs en 3D optimisés
II.1. Caractérisation électrique des structures MIM 3D
III. Conclusion
Chapitre 6 : Etude des propriétés diélectriques de TiO2 à hautes fréquences
I. Réalisation des dispositifs MIM adaptés à la caractérisation à hautes fréquences
II. Architecture des dispositifs adaptés à la caractérisation à hautes fréquences
III. Méthode de caractérisation
III.1. Spectroscopie diélectrique
III.2. L’impédance-mètre
III.3. L’analyseur de réseau vectoriel
III.3.1. Principe de base de l’analyse
III.3.2. Exploitation des résultats
III.3.2.1. Modèle d’une capacité parallèle à deux ports
III.3.2.2. Modèle d’une capacité parallèle à un port
IV. Caractérisation structurale des couches TiO2 dopé ou non-dopé
V. Caractérisation électrique des couches de TiO2 dopé ou non-dopé en fonction de la fréquence
V.1. Caractérisation électrique en régime statique
V.2. Etude de la constante diélectrique
V.3. Etude de la conductivité
V.4. Etude de la tangente de perte
VI. Modélisation de la dispersion en fréquence des paramètres diélectriques (modèle de Jonscher)
VII. Conclusion
Conclusion générale et Perspectives