ELABORATION ET CARACTERISATION DE QUELQUES DIELECTRIQUES A FORTE PERMITTIVITE AVEC APPLICATION EN MICROELECTRONIQUE : INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU RESEAU SUR LES PROPRIETES ELECTRIQUES - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2006

ELABORATION AND CHARACTERIZATION OF SOME DIELECTRICS A STRONG PERMITTIVITY WITH MICROELECTRONIC APPLICATION: INFLUENCE OF NETWORK STRUCTURE ON PROPERTIES ELECTRICAL

ELABORATION ET CARACTERISATION DE QUELQUES DIELECTRIQUES A FORTE PERMITTIVITE AVEC APPLICATION EN MICROELECTRONIQUE : INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU RESEAU SUR LES PROPRIETES ELECTRIQUES

Résumé

Ovcr thc last décades, the microelectronic industry, and hence microelcctronic rescarch, has been driven by Moore's law. The conséquence has been a mass scaling down of the fundamcntal dimensions of the transistor. Inthis process the materîal dimension has reachcd, in some cases, the atomic scale, with manufacturing and reliability problems that this implies, in particular the gâte oxide is expected to be 0.6 nm of Si02 for 2013. At thèse thicknesses the oxidc leaks considerably when an electric field is applied to the gâte, which results in a loss of performance for the transistor. Research is focused in finding a new dielectric in order to replace Si02, using the idea that if the thickness could be increased in order to reduce the leakage currents, thc dielectric constant would be increased as well. We hâve studied différent materials such as LaA103, Nd203, Pr203, Ti02 and mixed Ti02-Si02, which usually are considered high k materials. Thc oxides werc deposited via PECVD with an Electron Cyclotron Résonance Microwave Rcactor (ECR), werc evaporated using an Electron Beam Evaporator and also were sputtered using an rf plasma. Finally some of the materials investigated were thermally oxidizcd or anodically oxidized. Différent techniques of characterization have been adopted in order to analyze the chemical, physical, optical and electrical properties of the materials. The relation between the déposition or growth technique and thc properties of the materials was studied carefully. It appears that thc interface between the oxide and the Si substrate dépends upon thc déposition method and annealing condition. The dielectric constant and the refractive index of each material werc ascertained. Thc value sometimes appeared in disagreement with the literature and the literature îtself shows incohérence among the dielectric properties of thèse materials. The relation between thc electrical properties and the optical properties has been established. We show that the network structure plays a fundamental rôle on the polarizibilities and the molecular volume fi.c. densîty) of the materials. Without a radical change of thèse variables, usually a phase of the material in whichthe dielectric constant is "high" camiot be obtained.
Durant les dernières décades, les activités de l'industrie de la microélcctroniquc, et ainsi la recherche en rnicroélectronique, ont été guidées par la loi de Moore. Cela a conduit à une réduction importante des dimensions fondamentales des transistors. Pour certains procédés, la dimension des matériaux a rejoint l'échelle atomique, avec les problèmes de fabrication et de fiabilité que cela entraîne. Ainsi l'oxyde de grille est-il prévu d'être constitue de 0.6 nm de SiOi en 2013. A de telles épaisseurs l'oxyde fuit considérablement lorsqu'un champ électrique est appliqué sur la grille, avec pour conséquence une réduction des performances du transistor. Dans ce contexte, notre recherche s'intéresse à trouver un nouveau diélectrique pour remplacer Si02, en se basant sur l'idée que si l'épaisseur doit être augmentée pour réduire le courant de fuite, la constante diélectrique doit être augmentée de la même manière. Nous avons étudié différents matériaux tels que LaA103, Nd203, Pr203, Ti02 et des mélanges Ti02-SiC>2, qui sont généralement considérés comme étant des matériaux à forte permittivité ("high k"). Les oxydes ont été déposés par PECVD utilisant une source ECR, ou bien évapores au canon à électrons, ou encore déposés par pulvérisation RF. Enfin, certains matériaux étudiés furent oxydés thermiquement ou oxydés par anodisation. Différentes techniques de caractérisation ont été adoptées afin d'analyser les propriétés chimiques, physiques, optiques et électriques. La relation entre technique de croissance et propriétés du matériau a été plus particulièrement étudiée. Il apparaît que l'interface entre l'oxyde et le substrat de Si dépend de la méthode de dépôt et des conditions de recuit. La constante diélectrique et l'indice de réfraction de chaque matériau ont été quantifiés. Les valeurs semblent parfois en désaccord avec la littérature, et la littérature elle-même présente des incohérences quant aux propriétés diélectriques de ces matériaux. La relation entre propriétés électriques et optiques a été établie. Nous avons montré que la structure du réseau joue un rôle fondamental sur la polarisabilité et le volume moléculaire (c-à-d la densité) des matériaux. Sans une modification radicale de ces paramètres, généralement il n'est pas possible d'obtenir une phase du matériau possédant une "forte" constante diélectrique.
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Citer

Tito Busani. ELABORATION ET CARACTERISATION DE QUELQUES DIELECTRIQUES A FORTE PERMITTIVITE AVEC APPLICATION EN MICROELECTRONIQUE : INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU RESEAU SUR LES PROPRIETES ELECTRIQUES. Physique Générale [physics.gen-ph]. Université Joseph Fourrier, Grenoble I, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01886941⟩

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