Brevet FR2881567A1 — publié le 20060804

i Condensateur à champ de claquage élevé Domaine technique de l'invention L'invention concerne un condensateur à films minces comportant deux électrodes séparées par un diélectrique constitué par la superposition d'au moins deux sous-couches de matériau diélectrique. État de la technique Les condensateurs à films minces, très largement utilisés en microélectronique, comportent classiquement deux électrodes 1 et 2 séparées par un diélectrique 3 15 (figure 1). On souhaite de plus en plus réduire les dimensions des composants, tout en conservant les mêmes propriétés. Dans le cas des condensateurs intégrés, il faut pour cela augmenter la capacité surfacique C. Or, lorsque le diélectrique est constitué par une couche mince en matériau diélectrique, la capacité surfacique C est donnée par la formule: C = EoErS/e dans laquelle S est la surface des électrodes 1 et 2 en regard, dans le cas d'un 25 condensateur plan, Eo est la constante diélectrique du vide, - Er est la constante diélectrique relative du matériau constituant la couche en matériau diélectrique, et i0 e est l'épaisseur de la couche diélectrique. II est donc possible d'agir sur les trois paramètres S, e et Er pour augmenter la capacité surfacique d'un condensateur. Cependant, l'augmentation de la surface S va à l'encontre du but recherché, à savoir la diminution des dimensions du composant. Il est cependant possible d'augmenter artificiellement cette surface en utilisant des structures non-planaires. La fabrication de telles structures est complexe et nécessite des équipements coûteux. La diminution de l'épaisseur e de la couche diélectrique est limitée par l'apparition de courants de fuite importants lorsque l'épaisseur devient très faible et par une sensibilité accrue à la technologie de fabrication. Pour augmenter la constante diélectrique Er, qui est typiquement de 4 pour l'oxyde de silicium (SiO2), diélectrique le plus fréquemment utilisé en microélectronique, il a été proposé d'utiliser d'autres matériaux diélectriques, plus particulièrement des matériaux à base de pérovskite, dont la constante diélectrique relative peut atteindre 1000. Ces matériaux diélectriques sont notamment le Pb(Zr,Ti)03 aussi appelé PZT, le (Pb,La)(Zr,Ti)03 aussi appelé PLZT, le Pb(Mg,Nb,Ti)03 aussi appelé PMNT, le (Ba,Sr)TiO3 aussi appelé BST, le SrTiO3 aussi appelé STO, le BaTiO3 aussi appelé BTO, et le PbTiO3 aussi appelé PTO. Cependant, il a été observé que plus les matériaux ont une constante diélectrique élevée, plus leur champ de claquage est faible et plus les courants de fuite sont élevés. Pour surmonter cet inconvénient, il a été proposé, notamment dans les demandes de brevet US-A-2003/0096473 et US-A-2003/0184952, de former un diélectrique multicouche avec une alternance de matériaux diélectriques différents et de disposer une couche diélectrique amorphe aux interfaces avec les électrodes. L'association d'une couche en matériau diélectrique à haute permittivité et faible champ de claquage et d'une couche en matériau diélectrique à faible permittivité et fort champ de claquage permet, notamment, d'obtenir un compromis entre ces deux caractéristiques. Par ailleurs, l'interface en matériau amorphe permet de contrebalancer l'augmentation des courants de fuite due à la structure polycristalline de la plupart des matériaux à très forte permittivité. Objet de l'invention L'invention a pour but un condensateur ne présentant pas les inconvénients des condensateurs connus et, plus particulièrement, un condensateur à champ de claquage élevé. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que deux sous-couches diélectriques superposées adjacentes sont séparées par une couche intermédiaire métallique, isolée électriquement. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 illustre schématiquement un condensateur selon l'art antérieur. Les figures 2 et 3 représentent schématiquement deux variantes de réalisation d'un condensateur selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation i0 Dans le mode de réalisation particulier de la figure 2, le diélectrique 3 séparant les électrodes 1 et 2 du condensateur est constitué par deux sous-couches diélectriques 4a et 4b superposées séparées par une couche intermédiaire métallique 5. La couche intermédiaire métallique 5 est isolée électriquement, c'est-à-dire qu'elle n'est pas connectée aux électrodes 1 et 2. Les sous-couches 4a et 4b sont de préférence en matériau diélectrique à base de pérovskite et sont plus fines que la couche de matériau diélectrique constituant le diélectrique 3 du condensateur selon la figure 1 Ce condensateur exploite le fait que les matériaux diélectriques à structure pérovskite ont un courant de fuite qui diminue et un champ de claquage qui augmente lorsque leur épaisseur diminue, plus particulièrement lorsque leur épaisseur est inférieure ou égale à quelques dizaines de nanomètres. Cependant, la seule diminution de l'épaisseur de la couche diélectrique 3 d'un condensateur selon la figure 1 conduirait à une augmentation correspondante du champ électrique de travail. L'introduction de la couche intermédiaire métallique 5 entre deux sous-couches diélectriques de faible épaisseur permet de conserver les avantages liés à la réduction de l'épaisseur tout en permettant de maintenir un champ électrique de travail raisonnable. Le tableau ci-dessous permet de comparer les propriétés de trois types de condensateurs, comportant tous un diélectrique 3 entre deux électrodes 1 et 2 en platine, de 100nm d'épaisseur et formés en technologie silicium sur isolant, c'est-à-dire sur une couche en SiO2 formée sur un substrat de silicium: - un condensateur Al selon la figure 1, avec une seule couche de matériau diélectrique, en STO, ayant une épaisseur e de 50nm, un condensateur A2, également selon la figure 1, avec une seule couche de matériau diélectrique ayant une épaisseur e de 20nm seulement, - un condensateur A3, selon la figure 2, avec deux sous-couches diélectriques 4a et 4b, ayant chacune une épaisseur e de 20nm (soit une épaisseur Ee totale de STO de 40nm) et séparées par une couche intermédiaire métallique 5 de 20nm d'épaisseur. Condensateur Épaisseur Champ Constante Capacité Tension de totale de de diélectrique surfacique claquage STO claquage relative C Vc Ee Ec nF/mm2 (V) (nm) (kV/cm) Al 50 800 100 20 4 A2 20 2000 80 40 4 A3 2x20 2000 80 20 8 Bien que la constante diélectrique relative sr du STO diminue avec l'épaisseur, passant de 100 pour une couche unique de 50nm d'épaisseur à 80 pour une couche de 20nm d'épaisseur, la capacité surfacique C du condensateur A3, proportionnelle à la constante diélectrique relative et inversement proportionnelle à l'épaisseur totale Ee de matériau diélectrique, reste sensiblement identique à celle du condensateur Al. Simultanément, l'augmentation du champ de claquage Ec, qui passe de 800kV/cm pour une couche diélectrique de 50nm à 2000kV/cm pour 20nm, est suffisamment importante pour que la tension de claquage Vc (Vc = Ec x le) du condensateur A3 soit deux fois plus élevée que la tension de claquage des condensateurs Al et A2 (8V au lieu de 4V). De plus, pour un champ électrique donné, les courants de fuite sont réduits d'un facteur de l'ordre de 10 lorsque l'épaisseur d'une couche de matériau diélectrique à base de pérovskite passe de 50nm à 20nnm. Ainsi, les courants de fuite des condensateurs A2 et A3 sont très inférieurs à ceux du condensateur Al. Ainsi, pour un diélectrique 3 d'épaisseur totale comparable (50nm pour la couche unique du condensateur Al et 60nm pour l'empilement de deux souscouches diélectrique de 20nm séparées par une couche intermédiaire métallique de 20nm du condensateur A3), le condensateur A3 a une capacité comparable à celle du condensateur A1;, mais une tension de claquage Vc double et des courants de fuite réduits d'un facteur de l'ordre de 10. Comme représenté à la figure 3, le condensateur peut comporter une pluralité de couches diélectriques 4 superposées entre les deux électrodes 1 et 2, deux couches diélectriques 4 superposées adjacentes étant séparées par une couche intermédiaire métallique 5. Dans tous les cas, une sous-couche en matériau diélectrique 4 est en contact avec chacune des électrodes 1 et 2, c'est-à-dire que les première et dernière couches de l'empilement de sous-couches diélectriques 4 et de couches intermédiaires métalliques 5 sont constituées par des sous-couches diélectriques 4. Si chaque sous-couche diélectrique 4 a une épaisseur e, la capacité surfacique d'un condensateur comportant n sous-couches diélectriques 4 est alors celle d'un condensateur ayant un diélectrique d'épaisseur le = ne et de constante diélectrique relative Er correspondant à celle d'une seule sous-couche. Le champ de claquage Ec, qui correspond au champ de claquage d'une seule sous-couche, de très faible épaisseur, est cependant très supérieur à celui o d'une couche unique d'épaisseur ne. Le champ de claquage du condensateur ainsi que sa tension de claquage peuvent donc être nettement améliorés par l'utilisation de sous-couches diélectriques 4, de faible épaisseur e par rapport à l'épaisseur totale ne de matériau diélectrique, et la séparation de deux sous-couches diélectriques adjacentes par une couche intermédiaire métallique 5. Les courants de fuite sont simultanément améliorés par la réduction d'épaisseur de chaque couche de diélectrique. Le nombre n de sous-couches 4 et le nombre n-1 de couches intermédiaires métalliques 5 et leurs épaisseurs respectives sont choisies en fonction des matériaux utilisés et des caractéristiques recherchées pour le condensateur. À titre d'exemple, l'épaisseur de chaque sous-couche diélectrique 4 et de chaque couche intermédiaire métallique 5 est, de préférence, comprise entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres. Les couches intermédiaires métalliques 5, qui séparent deux sous-couches 4 adjacentes, sont électriquement isolées, c'est-à-dire qu'elles ne sont connectées électriquement ni aux électrodes 1 et 2 ni entre elles. Elles doivent cependant être suffisamment épaisses pour former des pellicules continues empêchant tout contact entre deux sous-couches diélectriques adjacentes. Avec les techniques de dépôt classiques, une épaisseur de 20nim est suffisante. Dans un mode de réalisation préférentiel, les électrodes 1 et 2 et les couches intermédiaires métalliques sont en platine (Pt) tandis que les sous-couches diélectriques 4 sont en matériau pérovskite. Ces couches peuvent être déposées par toute technique appropriée permettant le dépôt de couches io minces. Il est notamment possible de déposer des couches de platine de 10nm d'épaisseur par pulvérisation cathodique. D'autres techniques permettent le dépôt de couches très fines, constituant néanmoins un film continu. C'est notamment le cas de la technique de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD ou "Metal Organic Chemical Vapor Deposition") et de l'épitaxie par jets moléculaires (MBE ou "Molecular Beam Epitaxy"), qui permet le dépôt d'un film continu de platine d'une épaisseur de 2, 72nm. De manière analogue, plusieurs techniques permettent de déposer de très fines couches de matériau diélectrique. La technique de dépôt de couches atomiques (ALD ou "Atomic Layer Deposition"), qui a déjà été utilisée pour former des couches d'environ 3nm d'épaisseur pour des diélectriques comme le HfO2 et l'AI2O3, permet de faire un dépôt couche atomique par couche atomique. La technique MOCVD par injection permet d'atteindre des épaisseurs de quelques nanomètres (3 ou 4nm) pour des matériaux pérovskites comme le STO ou le BTO. La technique MBE permet également d'atteindre des épaisseurs nanométriques pour de nombreux matériaux, notamment pour le STO, tandis que la pulvérisation par faisceau d'ions (IBS ou "Ion Beam Sputtering") permet d'obtenir une couche de STO de 10nm d'épaisseur. L'invention n'est pas limitée aux modes particuliers de réalisation décrits ci- dessus. Les électrodes 1 et 2 peuvent notamment être métalliques ou en oxyde conducteur, par exemple en IrO2 ou RuO2. Par ailleurs, le matériau diélectrique peut être tout matériau dont le champ de claquage Ec augmente fortement au-dessous d'une certaine épaisseur e, si o cette augmentation du champ de claquage est supérieure à la diminution associée de la constante diélectrique. Pour une capacité de valeur prédéterminée et une surface S prédéterminée, on peut en effet montrer que pour que la tension de claquage Vc(fig.3) d'un condensateur selon la figure 3 (avec n couches diélectriques superposées séparées par des couches intermédiaires métalliques) soit supérieure à la tension de claquage Vc(fig.1) d'un condensateur selon la figure 1, il suffit que, pour chaque couche diélectrique, l'augmentation du champ de claquage due à la réduction de son épaisseur soit supérieure à la diminution de la constante diélectrique: E(fig.3) / E(fig.1) > E(fig.1) / E(fig.3). L'invention est plus particulièrement intéressante pour augmenter la tension de claquage dans des applications dans lesquelles les capacités requises sont faibles, par exemple pour former des capacités de découplage RF en téléphonie mobile, typiquement de l'ordre de lpf à 100pF. De manière générale, l'invention permet donc, à épaisseur de diélectrique 3 comparable et à surface équivalente, de réaliser des capacités de même valeur diélectrique mais de tension de claquage supérieure, par exemple deux fois plus élevée. Revendications 1. Condensateur à films minces comportant deux électrodes (1, 2) séparées par un diélectrique (3) constitué par la superposition d'au moins deux sous-couches de matériau diélectrique, condensateur caractérisé en ce que deux sous-couches diélectriques (4) superposées adjacentes sont séparées par une couche intermédiaire métallique (5), isolée électriquement. 2. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque sous-couche en matériau diélectrique (4) a une épaisseur inférieure ou égale à quelques dizaines de nanomètres. 3. Condensateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque sous- couche en matériau diélectrique (4) a une épaisseur de l'ordre de 20nm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque couche intermédiaire métallique (5) a une épaisseur inférieure ou égale à 20nm. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est à base de pérovskite. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en 25 ce que les couches intermédiaires métalliques (5) sont en platine. i0