Effet de l’interface entre l’électrode inférieure et le diélectrique

Comme nous l’avons vu ci-dessus, l’interface entre l’électrode inférieure et le diélectrique est problématique pour la fiabilité des condensateurs du fait de la présence de lacunes d’oxygène. Un second effet à prendre en compte est celui de la rugosité des interfaces. Des études ont été menées par Gaillard9 et al. sur des capacités MIM à base de Ta2O5 MOCVD et les mêmes électrodes de TiN/Al PVD que pour nos condensateurs à base de zircone. Dans un premier temps la rugosité des couches a été mesurée par microscope à force atomique (Atomic Force Microscope, AFM). La couche d’aluminium n’a pas d’effet sur la rugosité de la couche de TiN, mais elle introduit de la morphologie à grande échelle (plusieurs microns). La rugosité de l’électrode inférieure provient donc du dépôt de nitrure de titane par PVD. Dans un second temps des simulations ont montré que la rugosité des électrodes augmentait la valeur du champ électrique dans l’isolant aux interfaces avec le nitrure de titane. Cette augmentation concerne davantage l’interface inférieure qui est plus rugueuse que l’interface supérieure, car le dépôt de TiN par PVD conduit à des rugosités plus élevées que le dépôt d’oxyde par PEALD.

Pour étudier l’effet de l’électrode inférieure sur la fiabilité des structures MIM, différents empilements ont été réalisés. Tous utilisent une couche diélectrique en zircone de type ZG5 dopée avec 4 % de germanium. Les empilements sont fabriqués avec une électrode inférieure en nitrure de titane PVD standard de 30 nm. Ce TiN est recouvert par un autre dépôt de TiN d’une épaisseur de 10 nm. Ce second dépôt est réalisé soit par PVD avec un procédé haute pression, soit par ALD. Dans les deux cas la rugosité est moins importante que pour les dépôts de TiN classique. Les résultats des mesures de fiabilité réalisées sur ces capacités MIM sont présentés sur la Figure V.5.

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L’ajout d’une couche de 10 nm de TiN PVD de faible rugosité permet une augmentation de la durée de vie des capacités MIM de plus d’une décade. Cette amélioration est probablement liée à la plus faible rugosité de l’électrode inférieure. L’augmentation locale du champ électrique est réduite, ce qui diminue la vitesse de déplacement des lacunes d’oxygène dans l’oxyde ou réduit l’injection de charge par l’électrode supérieure.

On peut voir que l’effet est plus important pour le dépôt de nitrure de titane par ALD. La durée de vie passe de 7 jours à 2,6 années. Ce bénéfice est là aussi un effet de la rugosité réduite par rapport aux électrodes standards. En plus de l’effet de la rugosité, un effet chimique peut intervenir. La stœchiométrie du nitrure de titane modifie son travail de sortie. Westlinder et al.10 ont montré que plus la quantité d’azote dans la couche est élevée plus le travail de sortie est grand. Le dépôt de nitrure de titane par ALD est plus riche en azote que celui par PVD ce qui permet probablement de limiter son oxydation et d’améliorer la qualité de l’interface TiN/ZrO2.

Figure V.5 : Mesure de fiabilité des capacités MIM à base d’isolant ZG5 en fonction de la méthode de dépôt des électrodes inférieures en TiN dans la polarisation négative.

2.3 Conclusion

Des mesures de fiabilité ont été réalisées sur différents empilements MIM. Dans un premier temps l’effet du dopage de la zircone au germanium a été évalué. L’ajout de 4 % de germanium dans l’oxyde de zirconium permet d’augmenter la durée de vie des capacités de près de deux décades. Cette amélioration est liée à la modification des propriétés des joints de grains de l’oxyde de zirconium. Dans un second temps l’effet de la rugosité de l’électrode inférieure sur la fiabilité a été évalué. L’ajout d’une couche de nitrure de titane de faible rugosité avant le dépôt de zircone permet d’améliorer la fiabilité, indépendamment du fait que le dépôt soit réalisé par ALD ou par PVD. Pour l’échantillon avec une couche de TiN déposé par ALD, la fiabilité atteinte est proche de 3 ans. Ces résultats sont donc prometteurs pour la fabrication de capacité MIM de 35 fF/µm².

Empilements amorphes/cristallins à base de zircone dopée avec du germanium

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3 Empilements amorphes/cristallins à base de zircone dopée avec du germanium

Dans cette section, différents empilements de zircone dopée avec du germanium ont été déposés. Des caractérisations électriques ont été menées dans le but d’évaluer leurs propriétés. Leur cristallinité ainsi que son effet sur la fiabilité des capacités MIM seront discutés.

3.1 Description des empilements étudiés

Différents empilements de zircone dopée avec du germanium ont été intégrés dans des capacités MIM. L’objectif est de former des structures bicouches avec une partie de l’oxyde amorphe et l’autre cristallisé. Les oxydes amorphes ont l’avantage d’être plus fiables que les oxydes cristallins. Comme nous l’avons discuté dans le Chapitre 1, les oxydes sont moins fiables lorsqu’ils sont cristallisés, car les défauts précipitent aux joints de grains ce qui crée des points de rupture privilégiés. Ils ont cependant l’avantage d’avoir une constante diélectrique élevée ce qui permet d’augmenter la densité de capacité des condensateurs pour une même valeur de courants de fuites. Les structures bicouches amorphes/cristallines ont donc pour but d’améliorer la fiabilité des capacités MIM sans dégrader le compromis entre densité de capacité et courants de fuites.

Pour obtenir des couches amorphes ou cristallines, nous avons fait varier la concentration du germanium dans la zircone. En effet, la concentration de germanium modifie la température de cristallisation. Pour des rapports _{𝑍𝑟+𝐺𝑒}^𝐺𝑒 supérieurs à 10 % les couches restent amorphes après recuit comme nous l’avons vu dans le Chapitre 4. Les couches amorphes ont donc des concentrations en germanium supérieures à 10 % alors que les couches cristallines ont des concentrations inférieures à 5 %.

Les empilements sont faits de deux des couches décrites dans le Tableau 3 une amorphe (A1 ou A2) et une cristalline (ZG ou Z0). Les échantillons sont nommés de telle sorte que la première couche citée est celle qui est déposée la première et donc est en contact avec l’électrode inférieure. Par exemple pour l’échantillon A1-Z0 la couche amorphe est déposée sur l’électrode inférieure.

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Tableau 3 : Descriptif des empilements déposés. Les concentrations visées sont calculées grâce au rapport du nombre de cycles entre ZrO2 et GeO2, les épaisseurs sont

calculées en prenant une vitesse de dépôt constante de 0,8 Å/cycles.

Couches amorphes Nom : A1 Nombre de cycles : 23 Rapport _{𝑍𝑟+𝐺𝑒}^𝐺𝑒 visé : 13 % Épaisseur visée : 18 Å Nom : A2 Nombre de cycles : 22 Rapport _{𝑍𝑟+𝐺𝑒}^𝐺𝑒 visé : 27 % Épaisseur visée : 18 Å Couches cristallines Nom : ZG Nombre de cycles : 37 Rapport _{𝑍𝑟+𝐺𝑒}^𝐺𝑒 visé : 5 % Épaisseur visée : 38 Å Nom : Z0 Nombre de cycles : 50 Rapport _{𝑍𝑟+𝐺𝑒}^𝐺𝑒 visé : 0 % Épaisseur visée : 40 Å