Etude de capacités en couches minces à base d'oxydes métalliques ...

tel-00141132, version 1 - 11 Apr 2007
Chapitre 1 : Problématique
• Sa stabilité thermique : il est stable même à très haute température avec un point de
fusion à 1713°C,
• Une faible densité de défauts à l’interface Si/SiO2 (de l’ordre de 10 10 charges/cm²) et
dans le volume du SiO2 (de l’ordre de 10 16 charges/cm 3 ),
• Une large bande interdite (9 eV),
• Une haute résistivité électrique (≥ 10 15 Ω.cm),
• Un champ de claquage élevé (∼ 10 MV/cm).
Son utilisation en tant qu’oxyde de grille des transistors permet d’isoler de manière
satisfaisante l’électrode de grille (en poly-Si) du canal (en Si). Jusqu’à présent, les industriels
ont cherché à diminuer l’épaisseur de l’oxyde de grille pour améliorer les performances des
transistors, ce qui permet de conserver une capacité élevée tout en diminuant les surfaces
mises en jeu (par la réduction de la longueur du canal). En effet, sa capacité surfacique est
inversement proportionnelle à son épaisseur comme le montre l’équation 1-1 :
C
ε 0ε
ox
S = Équation 1-1
eox
Où CS est la capacité surfacique de l’oxyde de grille, ε0 la permittivité du vide (ε0 = 1/36π.10 -9
F.m -1 soit 8,854.10 -12 F.m -1 ), εox et eox, respectivement la constante diélectrique et l’épaisseur
de l’oxyde.
Toutefois, la diminution de l’épaisseur de l’oxyde de grille a ses limites. En effet, lorsque
l’épaisseur de la couche de SiO2 devient inférieure à ∼ 3 nm, des électrons peuvent franchir
directement l’oxyde par effet tunnel, ce qui augmente considérablement le courant de fuite
[5]. Le courant tunnel direct augmente exponentiellement avec la diminution de l’épaisseur
d’oxyde. Cette augmentation exponentielle pose des problèmes sur le fonctionnement des
transistors MOSFET, en terme de dissipation de puissance et de fiabilité.
Ainsi, à cause des courants de fuite trop importants pour des oxydes de grille trop minces, il
ne va plus être envisageable de diminuer encore l’épaisseur de SiO2. Une solution à ce
problème est donc de remplacer le SiO2 par un autre matériau présentant une constante
diélectrique plus élevée. On appelle ces matériaux, les matériaux high-k pour « haute
constante diélectrique ». Ce matériau devra présenter une capacité surfacique identique à celle
obtenue avec du SiO2 soit :
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