Study and optimization of 3D MIM capacitors highly integrated on silicon substrate with high energy storage
Etude et optimisation de capacités MIM 3D à haute densité d'énergie fortement intégrées sur silicium
Résumé
The energy storage components remain one of the limiting features for scaling of the Internet of Things objects. Indeed, the storage devices nowadays available as batteries, supercapacitors and electrochemical or ceramic capacitors are still quite bulky and remain incompatible with reduced aspect ratio, while roadmap toward miniaturization requires concept with high integration density compatible with integration techniques like SiP ((System in Package) and on longer term SoC (System on Chip). However, technologies known from the prior art, produce components with too large thickness, inflexible shape (mostly circular or rectangular), through exotic technologies that are incompatible with direct co-integration on silicon components. To overcome those limitations, we have proposed a novel approach for the integration of very low thickness capacitors. Those capacitors have better reliability and stability performances than ceramic capacitors and are able to store energy density approaching electrochemical capacitor.This thesis is focused on the development of the capacitive structure, the processing steps, its electrical and reliability characterization and finally the electrical optimization of MIM (Metal/Isolator/Metal) capacitors. Those capacitive structures are based on a porous and self-arranged nano-template obtained by an electrochemical process. Those nanostructures allow to increase the specific surface density with respect to conventional planar or microstructures that are currently exploited by IPDIA. The MIM structure consists of alumina dielectric, deposited by ALD (Atomic Layer Deposition) with a thickness between 15nm and 21nm. For this thickness, capacitance density is obtained in the range of 200nF/mm² and 300nF/mm² for a simple MIM nanostructure, with a breakdown field about 7 MV/cm and a maximum volumetric energy density of about 1.3mWh/cm3. This last value corresponds to a decade higher with respect to current IPDIA technologies. A specific optimization has been conducted to reduce structure parasitic, and thus enable faster current transition on switching events. For that, a technic to reduce the serial resistance between the MIM nanostructure and the external electrodes has been investigated. The temperature and voltage linearity of this MIM capacitor is on par with actual IPDIA reference technologies (respectively thermal coefficient of 193ppm/°C and quadratic voltage coefficient of 489 ppm/V²), which are based on an ONO composite dielectric (multi-layer nitride oxide). This performance is outperforming the Multi-Layer Ceramic Capacitors that are currently used for equivalent application. Furthermore, demonstration of operation up to 375°C has been demonstrated for this structure. With these capacitors it is envisioned to address a large span of applications, ranging from energy storage, to filtering of power rails, or analogic and power signal conditioning. The maturity obtained on demonstrators allows to envisage an industrial transfer in the coming months.
Le stockage de l’énergie reste une problématique majeure pour le développement d’objets embarqués (Internet of Things) à faible facteur de forme. En effet, pour le stockage et la restitution d’énergie électrique, les dispositifs les plus couramment utilisés sont les batteries, les supercondensateurs et les condensateurs électrochimiques ou céramiques. Toutefois, le contexte de la miniaturisation nécessite de fabriquer des systèmes de stockage à forte densité d’intégration, compatibles avec des techniques d’intégration de type SIP (System in Package) et ultimement SoC (System on Chip). Or, les technologies connues dans l’art antérieur produisent des composants à forte épaisseur, via des filières technologiques exotiques, incompatibles avec une co-intégration directe sur des composants silicium. Pour répondre à ces exigences, nous proposons une nouvelle approche pour l’intégration de condensateurs de très faible épaisseur sur silicium. Ces condensateurs présentent une meilleure fiabilité et de meilleures performances en linéarité que les condensateurs céramiques et peuvent stocker une densité énergétique proche de celle d’un condensateur électrochimique.Cette thèse est axée sur la conception, le développement, la réalisation, la caractérisation électrique et fiabilité de capacités MIM (Métal/Isolant/Métal) à forte densité d’intégration et présentant une forte densité énergétique. Ces condensateurs sont modelés dans une nanostructure poreuse ordonnée et développée par un procédé électrochimique. Cette nanostructure 3D permet de décupler la surface spécifique développée, par rapport à une structure planaire simple ou une microstructure 3D telle qu’actuellement exploitée par la société IPDIA. Ce nanocomposant MIM comportant un isolant à base d’alumine, déposé par ALD (Atomic Layer Deposition) d’une épaisseur variant entre 15nm et 21nm. Pour cette gamme d’épaisseur, une densité de capacité de l’ordre de 200nF/mm² à 300nF/mm² est obtenue sur une simple structure MIM, avec un champ de claquage de l’ordre de 7MV/cm et une densité d’énergie volumique maximale de 1.3mWh/cm3. Cette dernière valeur est supérieure d’une décade aux technologies actuellement exploitées par la société IPDIA. Une attention particulière a été apportée à la réduction des parasites de la structure, et lui permettant ainsi de répondre à des transitions rapide en courant. Pour cela, la résistance série de ces structures a été optimisée par l’amélioration du contact entre les nanostructures MIM et les électrodes externes. La stabilité de la capacité MIM en température et en tension est comparable aux performances des technologies de référence IPDIA (respectivement avec un coefficient thermique de 193ppm/°C et un coefficient de tension de 489 ppm/V2), lesquelles sont basées sur une structure composite de type ONO (multicouche oxyde-nitrure). Elle est par ailleurs meilleure que celle observée pour les condensateurs céramiques multicouches disponibles sur le marché. Notre capacité présente également, une excellente robustesse en température et a été utilisée jusqu’à 375°C. Les performances démontrées sur les prototypes réalisés au cours de ce travail, permettent d’envisager un vaste domaine d’applications, incluant des applications de stockage, de filtrage de rails d’alimentation, de mise en forme de signaux analogiques et de puissance. Le niveau de maturité atteint sur les premiers démonstrateurs permet d’envisager un transfert industriel dans les mois à venir.
Origine : Version validée par le jury (STAR)