Study of permittivity non-linearities in dielectrics used in microelectronics. Application for MIM capacitors.
Etude des non-linéarités de permittivité de diélectriques utilisés en microélectronique. Application aux capacités MIM.
Résumé
In order to fabricate ICs with more and more functions it is necessary to develop new
electronic devices. METAL-INSULATOR-METAL (MIM) capacitors integrated in the ICs
interconnections are some of these new devices. ICs down-scaling imposes to reduce MIM
capacitors dimensions and to increase surfacic capacitance. For that using dielectrics with
higher dielectric constant than SiO2 is necessary. Metallic oxides such as Al2O3, Ta2O5
and HfO2 are good candidates as dielectrics of MIM capacitors. Nevertheless with these
new dielectrics some new problems such as leakage currents, dielectric relaxation or voltage
non-linearity appear. For some specific applications, voltage non-linearity must be
controlled and limited. For that, a precise study of voltage non-linearity properties must
be performed.
After a general overview of the main physical properties of dielectrics, we present an
ab initio study of alpha-Al2O3 from which the dielectric tensor is extracted between 0 and
1E16 Hz. Then we present an exhaustive study of Al2O3 MIM capacitors (fabrication,
physical and electrical characterizations). We then expose two physical models to explain
both electric field and temperature effects on Al2O3 dielectric properties. The last part of
this PhD dissertation aims at comparing Al2O3 MIM capacitors electrical characteristics
with other MIM capacitors using Ta2O5, Si3N4 and SiO2 dielectrics. The end of this last
part concerns MIM capacitors with stacked dielectrics (Ta2O5/SiO2 and Al2O3/SiO2).
Thus this research provides a general overview of dielectric properties of dielectrics used
in microelectronics with both a theoretical and an experimental point of view.
electronic devices. METAL-INSULATOR-METAL (MIM) capacitors integrated in the ICs
interconnections are some of these new devices. ICs down-scaling imposes to reduce MIM
capacitors dimensions and to increase surfacic capacitance. For that using dielectrics with
higher dielectric constant than SiO2 is necessary. Metallic oxides such as Al2O3, Ta2O5
and HfO2 are good candidates as dielectrics of MIM capacitors. Nevertheless with these
new dielectrics some new problems such as leakage currents, dielectric relaxation or voltage
non-linearity appear. For some specific applications, voltage non-linearity must be
controlled and limited. For that, a precise study of voltage non-linearity properties must
be performed.
After a general overview of the main physical properties of dielectrics, we present an
ab initio study of alpha-Al2O3 from which the dielectric tensor is extracted between 0 and
1E16 Hz. Then we present an exhaustive study of Al2O3 MIM capacitors (fabrication,
physical and electrical characterizations). We then expose two physical models to explain
both electric field and temperature effects on Al2O3 dielectric properties. The last part of
this PhD dissertation aims at comparing Al2O3 MIM capacitors electrical characteristics
with other MIM capacitors using Ta2O5, Si3N4 and SiO2 dielectrics. The end of this last
part concerns MIM capacitors with stacked dielectrics (Ta2O5/SiO2 and Al2O3/SiO2).
Thus this research provides a general overview of dielectric properties of dielectrics used
in microelectronics with both a theoretical and an experimental point of view.
Le besoin grandissant de fabriquer des circuits aux fonctions de plus en plus nombreuses
nécessite de développer des dispositifs électroniques nouveaux. Les condensateurs
METAL-ISOLANT-METAL (MIM) intégrés dans les interconnexions des circuits font
partie de ces dispositifs. La course à la réduction de surface de substrat occupée impose
de réduire les dimensions de ces condensateurs MIM et d'augmenter leur densité surfacique
de capacité.
Pour atteindre cette performance il est nécessaire d'utiliser des diélectriques à plus forte
permittivité que SiO2. Les oxydes métalliques Al2O3, HfO2 et Ta2O5 font partie des candidats
intéressants pour remplir ce rôle de diélectrique à forte permittivité. Néanmoins
l'utilisation de tels matériaux ne va pas sans poser de problèmes de courants de fuite, de
relaxation diélectrique et de non-linéarités en tension. Du fait de leurs faibles amplitudes,
les non-linéarités de capacité en fonction de la tension sont des phénomènes peu étudiés
et donc mal compris. Pour certaines applications spécifiques il est nécessaire de contrôler
et de limiter ces non-linéarités. Cela nécessite d'abord d'étudier en profondeur leurs caractéristiques et notamment leurs origines physiques.
Après des rappels généraux sur la physique des diélectriques, ce manuscrit de thèse
présente une étude ab initio des propriétés diélectriques du cristal alpha-Al2O3 qui permet
d'extraire le tenseur diélectrique entre 0 et 1E16 Hz et qui montre que la contribution
électronique à la permittivité ne dépend pas du champ électrique. Cette première partie,
théorique, est suivie d'une étude exhaustive de capacités MIM à base d'alumine amorphe
dont on tire les principales caractéristiques des non-linéarités de capacitéen fonction du
champ électrique appliqué. Nous proposons ensuite deux modèles physiques (un qui repose
sur la polarisation dipolaire et un qui repose sur la polarisation ionique) afin d'interpréter
les caractéristiques C(V,T). La dernière partie de ce manuscrit de thèse propose de comparer
les caractéristiques électriques des capacités à base d'alumine à celles de capacités
utilisant d'autres diélectriques, en particulier le Ta2O5, le Si3N4 et le SiO2. La fin de cette
partie est consacrée à l'étude de capacités « multicouches » pour lesquelles on propose
un modèle simple pour prévoir les non-linéarités de capacité en fonction de la tension
appliquée.
Ainsi ce travail de recherche fournit une vue générale des propriétés diélectriques de
matériaux diélectriques utilisés en microélectronique tant d'un point de vue théorique
que d'un point de vue expérimental.
nécessite de développer des dispositifs électroniques nouveaux. Les condensateurs
METAL-ISOLANT-METAL (MIM) intégrés dans les interconnexions des circuits font
partie de ces dispositifs. La course à la réduction de surface de substrat occupée impose
de réduire les dimensions de ces condensateurs MIM et d'augmenter leur densité surfacique
de capacité.
Pour atteindre cette performance il est nécessaire d'utiliser des diélectriques à plus forte
permittivité que SiO2. Les oxydes métalliques Al2O3, HfO2 et Ta2O5 font partie des candidats
intéressants pour remplir ce rôle de diélectrique à forte permittivité. Néanmoins
l'utilisation de tels matériaux ne va pas sans poser de problèmes de courants de fuite, de
relaxation diélectrique et de non-linéarités en tension. Du fait de leurs faibles amplitudes,
les non-linéarités de capacité en fonction de la tension sont des phénomènes peu étudiés
et donc mal compris. Pour certaines applications spécifiques il est nécessaire de contrôler
et de limiter ces non-linéarités. Cela nécessite d'abord d'étudier en profondeur leurs caractéristiques et notamment leurs origines physiques.
Après des rappels généraux sur la physique des diélectriques, ce manuscrit de thèse
présente une étude ab initio des propriétés diélectriques du cristal alpha-Al2O3 qui permet
d'extraire le tenseur diélectrique entre 0 et 1E16 Hz et qui montre que la contribution
électronique à la permittivité ne dépend pas du champ électrique. Cette première partie,
théorique, est suivie d'une étude exhaustive de capacités MIM à base d'alumine amorphe
dont on tire les principales caractéristiques des non-linéarités de capacitéen fonction du
champ électrique appliqué. Nous proposons ensuite deux modèles physiques (un qui repose
sur la polarisation dipolaire et un qui repose sur la polarisation ionique) afin d'interpréter
les caractéristiques C(V,T). La dernière partie de ce manuscrit de thèse propose de comparer
les caractéristiques électriques des capacités à base d'alumine à celles de capacités
utilisant d'autres diélectriques, en particulier le Ta2O5, le Si3N4 et le SiO2. La fin de cette
partie est consacrée à l'étude de capacités « multicouches » pour lesquelles on propose
un modèle simple pour prévoir les non-linéarités de capacité en fonction de la tension
appliquée.
Ainsi ce travail de recherche fournit une vue générale des propriétés diélectriques de
matériaux diélectriques utilisés en microélectronique tant d'un point de vue théorique
que d'un point de vue expérimental.
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