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

tel-00141132, version 1 - 11 Apr 2007
Chapitre 1 : Problématique
Les densités de capacité se situent entre 2,2 nF/mm² et 17 nF/mm². La capacité à base de
Y2O3 présente la densité de capacité la plus faible, toutefois après recuit sous H2 à 450°C, il
est possible d’augmenter la densité de capacité à 2,6 nF/mm² environ [28]. Pr2O3 [22] et ZrO2
[23] présentent quant à eux les densités de capacité les plus élevées avec respectivement 9,1 et
17 nF/mm², toutefois ils sont encore peu étudiés et des efforts restent à faire au niveau de la
linéarité. Ceci est d’ailleurs vrai pour la plupart des études qui présentent des valeurs de
coefficients de linéarité α et β en dehors des spécifications de l’ITRS.
Des résultats très prometteurs ont été obtenus pour une capacité MIM à base de HfO2 [25] : il
présente une densité de capacité plus élevée que Si3N4 tout en conservant des coefficients de
linéarité en tension satisfaisant (α < 100 ppm/V² et β < 200 ppm/V) et des courants de fuite
faibles (2.10 -9 A/cm² à 3 V) qui lui permettent de rentrer dans les spécifications de l’ITRS.
3.4. Les multicouches
L’utilisation des matériaux high-k permet d’obtenir des densités de capacité élevées mais dans
le même temps, afin de remplir les conditions de courant de fuite et/ou de linéarité en tension,
il est nécessaire de développer de nouvelles structures diélectriques.
Les multicouches ou superréseaux font partie des ces nouvelles structures. Il s’agit
d’empilement de deux (ou plus) matériaux répétés N fois selon l’axe de croissance. Les
termes de « superréseau » et « multicouche » sont généralement employés de façon
équivalente, même si de manière exacte un superréseau désigne un empilement de matériaux
cristallisés alors qu’un multicouche peut comporter des couches amorphes.
On trouve de plus en plus de publications concernant l’étude de structures diélectriques
nanolaminates, empilements périodiques de très fines couches de deux matériaux alternés :
HfO2/Al2O3 [29,30], HfO2/SiO2 [31], Al2O3/ZrO2 [32], Ta2O5/HfO2 [33], Ta2O5/Al2O3
[34,35], STO/BTO [cf chapitre 6]. Ces structures ont des comportements diélectriques encore
peu connus mais qui semblent très prometteurs pour dépasser les limitations actuelles des
matériaux high-k.
En réalisant un multicouche HfO2/Al2O3 de 13 nm d’épaisseur déposé sur TaN/SiO2/Si, H. Hu
et al. [29] ont réussi à obtenir une densité de capacité de 12.8 nF/mm², avec des courants de
fuites de 7,45.10 -9 A/cm² à 2V. Ils ont ainsi allié la forte constante diélectrique du HfO2 et la
qualité d’interface électrode/diélectrique procurée par l’Al2O3.