Analysis of the dielectric relaxation phenomena in Metal-Insulator-Metal capacitors.
Etude du phénomène de relaxation diélectrique dans les capacités Métal-Isolant-Métal.
Abstract
The introduction of high permittivity dielectrics so-called « High-Κ » can induce the appearance of until now neglected electrical behaviours. It is the case of the dielectric relaxation phenomenon. This thesis deals with this phenomenon in Metal-Insulator-Metal integrated in microelectronic. Through several amorphous dielectrics and one crystalline dielectric, two behaviours are identified, the « flat loss » one and the electrode polarization one. Since dielectric relaxation can degrade some chip performances, a model is proposed thanks to the creation of a memory effect test chip. Then a Ta2O5 MIM capacitors detailed analysis in term of leakage current stability and of low frequency permittivity variation, will allow identifying oxygen vacancies migration in dielectric. Finally, two solutions are proposed in order to suppress this issue. The first one consists in dielectric stacks deposition based on Ta2O5 performances. The second one proposes the integration of a new dielectric, the Zirconium oxide.
L'introduction de diélectriques de forte permittivité dit « High-Κ » peut faire apparaître des comportements jusqu'ici négligeables. C'est le cas du phénomène de relaxation diélectrique. Ce mémoire traite de l'étude de ce phénomène dans les capacités Métal-Isolant-Métal intégrés en microélectronique. Au travers de plusieurs diélectriques amorphes et d'un diélectrique ferroélectrique, deux comportements sont identifiés, le comportement de « flat loss » et celui de polarisation d'électrode. Comme la relaxation diélectrique peut dégrader les performances de certains circuits, une modélisation a été proposée grâce à la réalisation d'un circuit de mesure de l'effet mémoire. Puis l'étude détaillée du comportement du diélectrique Ta2O5, aussi bien en terme de stabilité de courant qu'en terme de variation de permittivité dans les basses fréquences, permettra de mettre en évidence la migration de lacunes d'oxygène dans le diélectrique. Finalement, deux solutions sont proposées afin de réduire le phénomène de relaxation diélectrique tout en obtenant de bonnes performances électriques. La première consiste à déposer des stacks diélectrique basés sur les performances du Ta2O5. La seconde propose l'intégration d'un nouveau diélectrique, l'oxyde de Zirconium.
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