Brevet FR2907593A1 — publié le 20080425

Procédé de fabrication d'un condensateur à stabilité élevée. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de fabrication d'un condensateur. État de la technique Actuellement, plusieurs types de condensateurs peuvent être intégrés dans des dispositifs utilisés dans le domaine de la microélectronique. De manière générale, on peut citer : les condensateur de découplage qui permettent d'éliminer les hautes fréquences parasites sur les lignes d'alimentation des dispositifs actifs, les condensateurs de liaison qui permettent de bloquer la tension continue entre deux blocs fonctionnels et les condensateurs analogiques ou les condensateurs RF disposés dans les blocs fonctionnels et qui doivent présenter une valeur de capacité très bien définie. Ces différents types de condensateurs doivent présenter des propriétés bien précises suivant leur champ d'application. Notamment, deux paramètres caractéristiques d'un condensateur et dépendant du diélectrique utilisé sont importants : la valeur de la capacité surfacique Cs et la variation de la capacité en fonction de la polarisation qui est appliquée au condensateur. La capacité surfacique Cs correspond au rapport entre la valeur de la capacité du condensateur et sa surface. Ainsi, pour un condensateur planaire, c'est-à-dire un condensateur formé par un empilement de films minces, la capacité surfacique Cs est égale à Eo.Er/d, Eo correspondant à la permittivité du vide, Er correspondant à la permittivité relative du matériau 2907593 2 utilisé comme diélectrique et d correspondant à l'épaisseur du diélectrique. Ainsi, plus la valeur de la capacité surfacique Cs est importante, plus la taille du condensateur est faible pour une valeur donnée de capacité. Cette propriété est donc intéressante pour gagner de la place dans le dispositif 5 comportant le condensateur, notamment pour les condensateurs à forte capacité, tels que les condensateurs de liaison et les condensateurs de découplage. Pour ce type de condensateurs, la valeur de capacité peut, en effet, atteindre quelques dizaines de nanofarads (nF) et la capacité surfacique Cs recherchée peut atteindre quelques centaines de nF/mm2. io Pour les capacités analogiques, la valeur typique de capacité est comprise entre 1 picoFarad (pF) et quelques dizaines de pF et la capacité surfacique recherchée est comprise entre 1 femtofarad/ m2 (fF/ m2) et 10 fF/ m2. La variation de la capacité en fonction de la polarisation qui est appliquée au 15 condensateur correspond à la variation de la capacité en fonction de la tension continue appliquée aux bornes du condensateur même si, en fonctionnement, la nature de la tension appliquée peut être continue, alternative ou les deux. Dans le cas des condensateurs analogiques notamment, la valeur de la capacité doit être la plus stable possible, quelle 20 que soit la polarisation appliquée. Cette stabilité relative de la variation de la capacité en fonction de la polarisation appliquée correspond alors à une certaine linéarité du condensateur. La variation de la capacité peut être modélisée en fonction de la polarisation 25 V appliquée aux bornes du condensateur par la formule (1) suivante : Ç =aV2+f3V+1 (1) Co où C représente la valeur de la capacité du condensateur, Co représente la valeur de la capacité du condensateur quand la polarisation appliquée est nulle, a est un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la 3o tension ( quadratic voltage coefficient of capacitance ou quadratic 2907593 3 VCC ) et 13 est un coefficient linéaire de capacité relative en fonction de la tension ( linear voltage coefficient of capacitance ou linear VCC ). Pour minimiser la variation de la capacité C par rapport à la polarisation V 5 dans un condensateur analogique, les valeurs de coefficients a et 13 doivent être proches de zéro. Les coefficients a et (3 sont souvent définis par rapport à la tension appliquée car la spécification des condensateurs est, en général, donnée en tension. Ainsi, pour un condensateur analogique, les valeurs requises sont de l'ordre de 100ppm/V2 pour le coefficient a et de 100ppmN 10 pour le coefficient 13, pour une tension maximale de 5,5V. La valeur du coefficient (3 n'est pas déterminante pour diminuer la variation de la capacité C par rapport à la polarisation V. L'effet du coefficient R peut effectivement être facilement annulé en utilisant deux condensateurs en 15 parallèle, connectés tête-bêche. Ainsi, les condensateurs s'ajoutent et l'effet linéaire est supprimé. Par contre, la valeur du coefficient a est déterminante car il n'y a pas de moyen d'annuler cet effet quadratique par l'architecture du système. Dans le 20 cas des condensateurs planaires ayant une capacité surfacique allant jusqu'à 2 fF/ m2, le diélectrique couramment utilisé est l'oxyde de silicium (SiO2) et sa constante diélectrique relative Er est de 3,9. Ainsi, pour une capacité surfacique Cs de 2 fF/ m2, l'épaisseur du diélectrique en oxyde de silicium est d'environ 17nm et les coefficients a et (3 ont respectivement des 25 valeurs de l'ordre de 100 ppmN2 et de 100ppmN. Les valeurs des coefficients a et 13 sont, dans ce cas, satisfaisantes. Cependant, lorsque la densité d'intégration est augmentée, il est nécessaire d'augmenter la capacité surfacique Cs. Or, pour atteindre une capacité surfacique Cs de 5 fF/ m2, l'épaisseur du diélectrique en oxyde de silicium devrait être fortement 30 diminuée, notamment à environ 7nrn. Or, pour cette épaisseur, à 5,5V, le 2907593 4 coefficient a devient supérieur à 100 ppmN2. De plus, plus l'épaisseur est réduite, plus les courants de fuite sont élevés. Ainsi, l'oxyde de silicium n'est jamais utilisé pour des capacités surfaciques supérieures à 2fF/ m2. 5 III a été proposé de remplacer l'oxyde de silicium par un autre matériau cliélectrique. Typiquement, il peut être remplacé par HfO2, Ta2O5, Y2O3, ZrO2 ou AI2O3. Ces matériaux présentent, en effet, une constante diélectrique relative comprise entre 9 pour Al2O3 et 25 pour Ta2O5 et ils permettent d'obtenir une capacité surfacique élevée. Cependant, les coefficients a et (3 io sont trop élevés. A titre d'exemple, FifO2 présente un coefficient a de l'ordre de 400 ppmN2 pour une capacité surfacique de 5 fF/ m2. Pour obtenir une capacité surfacique élevée tout en améliorant la linéarité des condensateurs analogiques, Sun Jung Kim et al., dans l'article 15 Improvement of Voltage Linearity in High-K MIM Capacitors Using HfO2 SiO2 Stacked Dielectric (IEEE Electron Device Letters, Vol. 25, N 8, August 2004, p538-540) ont proposé d'annuler l'effet du coefficient quadratique a en utilisant, comme diélectrique, un empilement comportant une couche mince de 4 nm d'épaisseur en SiO2 et une couche mince de 12 nm d'épaisseur en 20 HfO2. En effet, l'oxyde de silicium et l'oxyde d'hafnium présentent des coefficients quadratiques de capacité relative en fonction de la tension ( quadratic VCC ) de signes opposés. Avec un choix particulier d'épaisseur pour les deux couches minces, il est possible d'obtenir un empilement diélectrique présentant un coefficient quadratique a proche de zéro (a = 14 25 ppmN2) et une capacité surfacique élevée (Cs = 6 fF/ m2). 'De la même manière, dans la demande de brevet US2006/0017136, le diélectrique d'un condensateur analogique est constitué d'un empilement d'une couche mince inférieure présentant un coefficient quadratique de 30 capacité relative en fonction de la tension négatif, d'une couche mince intermédiaire présentant un coefficient quadratique de capacité relative en 2907593 5 fonction de la tension positif et d'une couche mince supérieure présentant un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension négatif. Les couches minces inférieure et supérieure sont, par exemple, en SiO2 ou en Ta2O5 tandis que la couche mince intermédiaire est, par exemple, en 5 HfO2, ZrO2 ou LaO3. [)ans la demande de brevet EP1517360, le diélectrique est également formé par trois couches minces, en matériau à haute capacité. Les couches minces inférieure et supérieure présentent un coefficient quadratique de capacité 1 o relative en fonction de la tension dont la valeur absolue est relativement plus faible que celle du coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension de la couche intermédiaire. Par contre, la couche intermédiaire présente un courant de fuite relativement plus faible que celui des couches supérieure et inférieure. 15 La capacité de tels condensateurs, comportant plusieurs couches minces diélectriques formées par des matériaux ayant des coefficients quadratiques de capacité relative en fonction de la tension différents, est stable par rapport à la polarisation appliquée. Cependant, leur fabrication est difficile à mettre 20 en oeuvre. Objet de l'invention 25 L'invention a pour but un procédé cle fabrication d'un condensateur à films minces ayant une capacité surfacique élevée et une stabilité en tension améliorée, facile à mettre en oeuvre. Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de fabrication d'un 30 condensateur à films minces comportant le dépôt, sur une première électrode, d'une couche mince unique en oxyde métallique amorphe et le 2907593 6 traitement thermique de ladite couche mince unique, à une température prédéterminée correspondant à la température à laquelle ledit oxyde métallique présente un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension proche de zéro, une seconde électrode étant, ensuite 5 formée sur ladite couche mince unique. Description sommaire des dessins io D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la clescription qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention clonnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, clans lesquels : la figure 1 représente la variation relative de la capacité C de deux 5 condensateurs comprenant chacun une couche diélectrique en SrTiO3, respectivement amorphe et cristallin et disposée entre deux électrodes en platine, en fonction de la polarisation V appliquée. la figure 2 représente, sous forme de schéma-blocs, un procédé de détermination des épaisseurs respectives des couches minces en oxyde 20 métallique respectivement sous forme amorphe et cristallin. la figure 3 représente, schématiquement, en coupe un premier mode de réalisation d'un condensateur selon l'invention. - la figure 4 représente la variation de l'épaisseur d'une couche mince en SrTiO3 amorphe et d'une couche mince en SrTiO3 cristallin en fonction de 25 la capacité surfacique Cs. la figure 5 représente, schématiquement, en coupe un seconde mode de réalisation d'un condensateur selon l'invention. la figure 6 représente la variation de la capacité surfacique d'un condensateur à films minces comprenant un diélectrique sous forme 30 d'une couche mince en SrTiO3 et la variation du coefficient a de ladite couche mince, en fonction de la température de traitement thermique. 2907593 7 Description de modes particuliers de réalisation Un condensateur à films minces, et plus particulièrement un condensateur analogique à films minces, comporte au moins deux électrodes séparées par 5 un diélectrique. Dans un premier mode de réalisation, le diélectrique est constitué par la superposition d'au moins deux couches minces constituées par un même oxyde métallique, respectivement sous forme cristalline et amorphe. Plus ~o particulièrement, l'oxyde métallique est un matériau pérovskite. Comme il peut être démontré expérimentalement, les matériaux pérovskites présentent, en effet, dans leur phase cristalline un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension (coefficient a) de signe opposé à celui présenté par au moins une phase amorphe. Plus particulièrement, la 15 forme cristalline du matériau pérovskite présente un coefficient a négatif tandis que, pour la forme amorphe, le coefficient a est positif. Le matériau pérovskite peut, par exemple, être choisi parmi les matériaux pérovskites suivants : SrTiO3 également connu sous le nom STO, (PbZr)TiO3 20 également connu sous le nom IPZT, (PbMg)NbO3 - PbTiO3, BaTiO3 également connu sous le nom BTO, (K, Na)NbO3 également connu sous le nom KNN, Ba2Na2Nb5O15 également connu sous le nom de BSN et l3aZn1,3Nb2,3O3 également connu sous le nom de BZN. 25 Ainsi, à titre d'illustration, sur la figure 1, les courbes A et B représentent chacune la variation expérimentale de la valeur de capacité AC/Co d'un empilement comportant deux électrodes en platine séparées par une couche diélectrique en SrTiO3 (STO), en fonction de la polarisation V appliquée entre les deux électrodes. La courbe A correspond à la couche mince en STO 30 sous forme amorphe tandis que la courbe B correspond à la couche mince en STO sous forme cristalline. Les deux électrodes en platine ont chacune 2907593 8 une épaisseur de 100nm et les couches minces en STO ont une épaisseur de 100nm. On constate sur la figure 1 que les courbes A et B peuvent être modélisées 5 par la formule générale (1) :. La courbe A présente une concavité tournée vers le haut, ce qui indique que, pour le matériau amorphe, le coefficient a est positif tandis que, la courbe B ayant une concavité tournée vers le bas, le coefficient a est négatif pour le matériau cristallin. io De plus, les épaisseurs da et d, des deux couches minces constituées par le même matériau pérovskite et respectivement sous forme amorphe et cristalline sont également prédéterminées, de manière à obtenir un diélectrique présentant un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension le plus proche possible de zéro, ce qui améliore la 15 stabilité en tension du condensateur. Les épaisseurs da et d, peuvent, par exemple, être choisies de manière à répondre aux formules générales (2) et (3) suivantes : i C3' _ ÒEa a Ce 1 2 1 _ c Ya Ea Yc ~ (2) et d~ = EoEc Cso 1 1 (3) 20 dans lesquelles : - Eo correspond à la permittivité du vicie, -. Ec et sa correspondent aux permittivités relatives du matériau pérovskite respectivement sous forme cristalline et sous forme amorphe 25 Cso correspond à la capacité surfacique totale à champ nul et, plus particulièrement, à la valeur constante souhaitée pour la capacité surfacique du condensateur, également appelée valeur cible 2907593 9 - et yc et ya correspondent aux coefficients quadratiques de capacité relative en fonction du champ électrique du matériau pérovskite respectivement sous forme cristalline et sous forme amorphe. 5 Les formules générales (2) et (3) sont, plus particulièrement, obtenues à partir : - de la relation (4) ci-dessous permettant d'exprimer la capacité surfacique à champ nul Cso de l'empilement des deux couches minces en fonction des constantes diélectriques relatives Ea et Es respectivement des deux couches : 10 CSo = ò ù à (4) àc% + cda - et de la formule générale (5) ci-dessous modélisant la linéarité d'une couche mince diélectrique en fonction du champ électrique. Ç = yEz +8E+1 (5) Co 15 Les coefficients y et b, correspondent respectivement au coefficient quadratique de capacité relative en fonction du champ électrique et au coefficient linéaire de capacité relative en fonction du champ électrique. Ce sont des paramètres intrinsèques au matériau formant ladite couche mince diélectrique. :20 Les deux couches minces respectivement amorphe et cristalline et superposées formant, avec les électrodes, deux condensateurs en série, la capacité surfacique Cs du condensateur formé par l'empilement des deux couches minces disposées entre deux électrodes répond donc à la formule 25 suivante : C = Csa Csc s C +C sa sc où Csa correspond à la capacité surfacique de la couche mince amorphe et CCs, correspond à la capacité surfacique de la couche mince cristalline. (6) 2907593 10 De plus, en première approximation, le paramètre peut être négligé dans la formule (5) puisque, comme le paramètre (3, l'effet linéaire de la polarisation sur la valeur de la capacité peut être, de manière usuelle annulé. Ainsi, selon la formule (5), on a également : Csa = 1 + yaEa2 (7) ef ~ = 1 + Y~Eoz (8) sa0 sco avec Csao et Caro correspondant à la capacité surfacique à champ nul respectivement des couches minces amorphe et cristalline, y, et ya correspondent aux coefficients quadratiques de capacité relative en fonction du champ électrique des couches minces respectivement sous forme io cristalline et sous forme amorphe et Ea et Ec correspondant au champ électrique appliqué aux couches minces respectivement sous forme cristalline et sous forme amorphe. Ainsi, en supposant que Cs est invariant suivant le champ appliqué, c'est-à- 15 dire Cs = Cao, la formule (6) peut être développée en insérant les formules (7) et (8). De plus, les deux couches minces amorphe et cristalline étant superposées, la conservation du vecteur déplacement D à l'interface induit EaEa = EcEc, D étant le vecteur déplacement électronique défini par Maxwell. Par ailleurs, les coefficients Ya et y, étant faibles, la formule (6) peut subir un 20 développement limité. Ainsi, en ne conservant que le terme d'ordre 2 en E, on obtient l'expression suivante entre les épaisseurs des couches minces amorphe et cristalline : da = ù à I y (9). d~ Ea 1 YG En combinant l'équation (6) avec l'équation (9), on obtient les formules (2) et (3) permettant de déterminer les épaisseurs da et d, des deux couches 25 minces à déposer pour former le diélectrique, pour une valeur de capacité surfacique Cso souhaitée, indépendante de la variation de E2 et, de préférence, supérieure ou égale à 5 fF/ m2 et préférentiellement supérieure ou égale à 10 fF/ m2. 5 3 2907593 1.1 Les formules générales (2) et (3) dépendent donc non seulement de la capacité surfacique à champ nul Cao correspondant à la capacité surfacique désirée pour le condensateur mais également des coefficients y, et ya, 5 correspondent respectivement aux coefficients quadratiques de capacité relative en fonction du champ électrique du matériau pérovskite respectivement sous forme cristalline et sous forme amorphe. Il est, alors, possible, en fonction de la capacité surfacique désirée pour le condensateur, de déterminer les épaisseurs da et d, nécessaires pour obtenir un diélectrique présentant un coefficient quadratique de capacité en fonction de la tension le plus proche possible de zéro, ce qui permet d'obtenir un condensateur présentant une bonne stabilité en tension. Par ailleurs, le matériau pérovskite utilisé pour former le diélectrique peut être 15 remplacé par tout type d'oxyde métallique présentant sous forme cristalline un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension de signe opposé à celui du coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension d'une forme amorphe dudit oxyde. A titre d'exemple, l'oxyde métallique peut être de l'oxyde de titane. De plus, le diélectrique peut 20 être formé par plusieurs paires de couches minces en matériau pérovskite ou en oxyde métallique, respectivement sous forme cristalline et sous forme amorphe. De même, l'utilisation des formules générales (2) et (3), pour déterminer les 25 épaisseurs da et dc, de manière à permettre d'obtenir une bonne stabilité en tension peut être remplacée par une méthode empirique telle que celle représentée sur la figure 2. En fonction de l'oxyde métallique, par exemple un matériau pérovskite, utilisé :30 pour former le diélectrique du condensateur (étape F1) et en fonction de la valeur de capacité surfacique Cso désirée (étape F2), les épaisseurs da et d, 2907593 12 peuvent être déterminées en réalisant, dans un premier temps (étape F4), une pluralité de condensateurs comportant chacun deux électrodes séparées par un diélectrique. Le diélectrique de chaque condensateur est constitué par une superposition d'une couche mince en oxyde métallique sous forme 5 cristalline et d'une couche mince constituée par le même oxyde métallique niais sous une forme amorphe. Pour chaque condensateur, la couche mince sous forme cristalline a la même épaisseur prédéterminée d,. Cette épaisseur d, est préalablement 10 choisie de manière à répondre à la formule suivante : dc = 2Cs (étape F3) 0 où Eo correspond à la permittivité du vide et cc est la constante diélectrique dudit oxyde métallique sous forme cristalline. Les couches minces sous forme amorphe de la pluralité de condensateurs 15 ont des épaisseurs da; prédéterminées différentes, respectivement comprises entre 1 nm et dc; . Ensuite, lors de l'étape F5, la capacité surfacique Csmes, de chaque condensateur est mesurée ainsi que la variation de la capacité en fonction de :20 la tension appliquée pour chaque condensateur. Le condensateur ayant la variation de capacité en fonction de la tension appliquée la plus faible est, alors, sélectionné à l'étape F6, parmi la pluralité de condensateurs. Puis, la valeur de la capacité surfacique mesurée Csmes 25 dudit condensateur sélectionné est comparée, à l'étape F7, avec la valeur prédéterminée de capacité surfacique Cso souhaitée pour le condensateur. Comme indiqué par la sortie OUI de l'étape F7, si l'on constate lors de l'étape F7 que la valeur de capacité surfacique Csmes du condensateur 30 sélectionné est égale à la valeur de la capacité surfacique Cso désirée pour 2907593 13 le condensateur, l'épaisseur à déterminer da pour la couche mince sous forme amorphe correspond alors à l'épaisseur dai de la couche mince sous forme amorphe du condensateur sélectionné, comme indiqué à l'étape F8. Dans ce cas, l'épaisseur à déterminer d, pour la couche mince sous forme 5 cristalline correspond à la valeur choisie lors de l'étape F3. La sortie NON de l'étape F7 indique que la valeur de la capacité surfacique Csmes; du condensateur sélectionné est différente de la valeur de la capacité surfacique Cso désirée pour le condensateur. Dans ce cas, les étapes F4 à 1 o F7 sont réitérées en modifiant d'une valeur prédéterminée Ad, la valeur de dc, avec, par exemple, Adj = 20%. Plus particulièrement, une étape supplémentaire F9 de comparaison est réalisée à la sortie NON de l'étape F7, de manière à déterminer si la valeur 15 Csmes; est supérieure à la valeur Cso. Si la comparaison réalisée à l'étape F7 est positive, (sortie OUI de l'étape F9), c'est-à-dire si Csmes, > Cso, les étapes F4 à F7 sont réitérées, en augmentant de Ad, la valeur de de (étape F10), afin de diminuer la valeur de Csmes;. Si la comparaison réalisée à l'étape F7 est négative, (sortie NON de l'étape F9), c'est-à-dire Csmes; Revendications 1. Procédé de fabrication d'un condensateur (8), caractérisé en ce qu'il comporte au moins le dépôt, sur une première électrode (5), d'une couche mince unique (9) en oxyde métallique amorphe et le traitement thermique de ladite couche mince unique (9), à une température prédéterminée correspondant à la température à laquelle ledit oxyde métallique présente un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension proche 1 o de zéro, une seconde électrode (7) étant, ensuite formée sur ladite couche mince unique (9). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique de la couche mince (9) est réalisé après le dépôt sur la première 15 électrode (5). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique de la couche mince (9) est réalisé en même temps que le dépôt sur la première électrode (5). 20 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température prédéterminée du traitement thermique correspond à la température à laquelle l'oxyde métallique présente un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension compris entre 25 -1000 ppmN2 et +1000 ppmN2 et préférentiellement entre -100 ppmN2 et + 100 ppmN2. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température prédéterminée du traitement thermique correspond à la température à 3,0 laquelle l'oxyde métallique présente un coefficient quadratique de capacité relative en fonction de la tension égal à zéro. 20 5 2907593 21 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'oxyde métallique est choisi parmi les matériaux pérovskites et l'oxyde de titane. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau pérovskite est choisi parmi SrTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, Pb(Mg, Nb)O3-PbTiO3, BaTiO3, (K, Na)NbO3, Ba2Na2Nb5O15 et BaZn1,3Nb2,3O3.