Brevet FR2915315A1 — publié le 20081024

B07-0085FR û FZ/cec Société par actions simplifiée dite : STMicroelectronics (Crolles2) SAS Procédé de fabrication d'un condensateur à stabilité élevée et condensateur correspondant. Invention de : Serge BLONKOWSKI Procédé de fabrication d'un condensateur à stabilité élevée et condensateur correspondant. L'invention concerne la microélectronique, et plus particulièrement les condensateurs intégrés dans des circuits intégrés. En microélectronique, il est intéressant de pouvoir intégrer des condensateurs pour des applications analogiques ou radiofréquences au sein de blocs fonctionnels. On définit généralement deux paramètres prépondérants pour un condensateur, qui dépendent du diélectrique utilisé, à savoir d'une part la valeur de la capacité surfacique, définie comme le rapport entre la valeur de la capacité et sa surface, et d'autre part la non linéarité qui correspond par exemple à la variation de la valeur capacitive en fonction de la tension continue appliquée aux bornes du condensateur. Plus la valeur de la capacité surfacique est importante, plus la taille du condensateur est faible pour une valeur donnée de capacité. Par ailleurs, dans le cas de condensateur analogique, la non linéarité est un paramètre important. En effet, la valeur de la capacité doit être la plus stable possible quelle que soit la tension appliquée aux bornes du condensateur. La non linéarité d'un condensateur dépend d'un facteur qui est proportionnel au carré de la tension qui est appliquée aux bornes du condensateur. Le coefficient de proportionnalité est un coefficient a dit coefficient non linéaire d'ordre deux (ou quadratique) en tension . La non linéarité peut également être représentée comme dépendant d'un facteur proportionnel au carré du champ électrique appliqué aux bornes du condensateur. Dans ce cas, le coefficient de proportionnalité, y, est la susceptibilité diélectrique non linéaire d'ordre deux (ou quadratique). Les coefficients a et 'y sont reliés par la relation 'y = ad2, où d est 30 l'épaisseur du diélectrique du condensateur. De façon à diminuer l'effet quadratique d'instabilité, il est généralement requis des valeurs faibles pour le coefficient a, par exemple de l'ordre de 100ppm/V2. Lorsque l'on souhaite augmenter la densité d'intégration, il faut 35 augmenter la capacité surfacique. Une solution pour augmenter la capacité surfacique consiste à diminuer l'épaisseur du diélectrique. Cela étant, pour un même matériau, et donc pour un facteur y donné qui est une caractéristique intrinsèque du matériau diélectrique utilisé, une diminution de l'épaisseur du diélectrique conduit à une augmentation du coefficient a, et donc une augmentation de l'instabilité. I1 a été proposé de réaliser des diélectrique bicouches formés d'une couche de dioxyde de silicium et d'une couche d'oxyde d'hafnium (HfO2) présentant respectivement des coefficients 'y de signes opposés. Cependant, pour atteindre les valeurs capacitives recherchées, la couche de dioxyde de silicium doit avoir une épaisseur très faible, typiquement inférieure à 4nm. Or, avec une telle valeur, les propriétés de la silice sont difficiles à contrôler et la rupture diélectrique intervient à de faibles tensions. De plus, lorsqu'on met deux couches diélectriques en contact, il apparaît un phénomène de polarisation inter faciale (connu par l'homme du métier sous la dénomination d'effet Maxwell-Wagner) conduisant à des pertes élevées ainsi qu'à une forte dépendance de la valeur capacitive en fonction de la fréquence du champ électrique variable. I1 existe donc un besoin de réaliser des condensateurs ayant des diélectriques fins, présentant un faible effet quadratique, et simples à réaliser. I1 est proposé, selon un mode de mise en oeuvre, d'utiliser un alliage ou un mélange homogène de deux matériaux diélectriques ayant des coefficients y de signes opposés, pour former le diélectrique monocouche d'un condensateur. La composition de cet alliage est alors ajustée de sorte que le coefficient y total résultant ait une valeur aussi proche de 0 que possible, typiquement inférieure à un seuil choisi. Ainsi, on ne forme qu'un seul matériau pour le diélectrique, ce qui est d'une part plus simple à réaliser, et d'autre part évite la formation d'une interface. Par ailleurs, comme le coefficient y est aussi proche de 0 que possible, l'effet du champ sur la non linéarité quadratique en tension est faible, ce qui permet de réaliser des condensateurs fins avec une faible altération de la linéarité. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un condensateur dans lequel on ajuste la composition d'un alliage diélectrique comportant deux matériaux diélectriques ayant respectivement des susceptibilités diélectriques non linéaires d'ordre deux de signes opposés, de façon à obtenir un alliage ayant une susceptibilité diélectrique d'ordre deux aussi proche de zéro que possible, en pratique inférieure à un seuil choisi, et on réalise le condensateur avec un diélectrique monocouche formé par ledit alliage. La susceptibilité diélectrique non linéaire quadratique (d'ordre deux) y d'un matériau est égale au produit du coefficient non linéaire quadratique en tension a par le carré de l'épaisseur de la couche dudit matériau. Par ailleurs, en pratique, on effectue des mesures de variation de valeurs capacitives pour un matériau diélectrique y ayant une épaisseur donnée en faisant varier la tension continue qui lui est appliquée. Ainsi, pour un matériau diélectrique monocouche formé de l'alliage mentionné ci-dessus, et pour une épaisseur de 10nm, on choisira avantageusement un seuil pour le coefficient a égal à 100ppm.V_2 , ce qui correspond alors à un seuil pour la susceptibilité diélectrique 'y dudit alliage de l'ordre de 100ppm. cm2.MV-2, où MV désigne des méga volts (106 V). Bien que de nombreux matériaux diélectriques puissent être utilisés pour former ledit alliage, on peut choisir avantageusement pour les deux matériaux diélectriques de l'alliage, un oxyde métallique amorphe et un oxyde de silicium. L'oxyde métallique amorphe peut être ainsi obtenu à partir d'un métal de transition. On rappelle ici, ce qui est bien connu de l'homme du métier, qu'un métal de transition est chimiquement défini comme un élément qui forme au moins un ion avec une sous-couche d partiellement rempli. Ainsi, les trente éléments chimiques de numéro atomique 21 à 30, 39 à 48 et 71 à 80 dans le tableau périodique des éléments de Mendeleïev, forment des métaux de transition. Selon un mode de mise en oeuvre, l'alliage a une composition 30 AXB(1_x) avec x compris entre 0 et 1, A désignant l'oxyde métallique amorphe et B l'oxyde de silicium, et on ajuste la valeur de x. x peut être de l'ordre de quelques centièmes. Ainsi, l'alliage est par exemple (ZrO2)X(SiO2)1_X avec x de l'ordre de 0,06. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d'un circuit intégré comprenant une fabrication d'au moins un condensateur selon le procédé tel que défini ci-avant. Selon un autre aspect, il est proposé un condensateur comprenant un diélectrique monocouche formé d'un alliage diélectrique présentant une susceptibilité diélectrique non linéaire d'ordre deux aussi proche de zéro que possible, en pratique inférieure à un seuil choisi et comportant deux matériaux diélectriques ayant respectivement des susceptibilités diélectriques non linéaires d'ordre deux de signes opposés. Le seuil est par exemple de l'ordre de 100ppm.cm2.MV-'. Selon un mode de réalisation, les deux matériaux diélectriques sont un oxyde métallique amorphe et un oxyde de silicium. L'oxyde métallique amorphe est par exemple un oxyde d'un métal de transition. Selon un mode de réalisation, l'alliage a une composition AXB(1_x) avec x compris entre 0 et 1, A désignant l'oxyde métallique amorphe et B l'oxyde de silicium, et la valeur de x est de l'ordre de quelques centièmes. Par exemple, l'alliage est (ZrO2)X(SiO2)1_X avec x de l'ordre de 0,06. 20 Selon un autre aspect, il est proposé un circuit intégré comprenant au moins un condensateur tel que défini ci-avant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mises en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels 25 - la figure 1 illustre schématiquement un organigramme de mode de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un condensateur, - la figure 2 illustre différentes courbes de la variation relative de la valeur capacitive d'un condensateur en fonction de la tension appliquée à ses bornes, 30 - la figure 3 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un condensateur à valeur capacitive stable, et, - la figure 4 illustre schématiquement une évolution de la capacité surfacique et du facteur quadratique de non linéarité y en fonction de la proportion de ZrO2 d'un alliage diélectrique. Comme illustré sur la figure 1, on utilise deux matériaux diélectriques A et B ayant des susceptibilités diélectriques non linéaires d'ordre deux (quadratiques) y de signes opposés pour former un alliage diélectrique (étape 11) ALX de composition AXB(1_X). Les deux matériaux diélectriques A et B peuvent être par exemple respectivement un oxyde métallique amorphe et un oxyde de silicium. L'oxyde métallique amorphe peut être formé à partir d'un métal de transition. Parmi les métaux de transition utilisés pour former l'oxyde 10 métallique amorphe, on peut citer de manière non exhaustive : Zr, Ti, Hf, Ta, Nb, Y, La, Pr, ... En fait, tous les métaux de transition situés dans les colonnes 3 à 6 incluses du tableau de classification périodique des éléments de Mendeleïev peuvent convenir. 15 La formation de l'alliage diélectrique peut être effectué par plusieurs méthodes connues en soi, telles que par exemple un dépôt en phase vapeur ou bien un dépôt de couches atomiques ALD (Atomic Layer Deposition). Plus précisément, selon ce dernier mode de formation, on peut déposer par exemple alternativement une couche atomique de métal 20 (par exemple du zirconium Zr) en injectant dans un réacteur un précurseur organométallique ( par exemple du TEMAZr c'est à dire Zr[N(CH3)(C2H5)3]4 ) suivi d'une injection d'ozone pour oxyder cette couche. On réalise ainsi un film d'oxyde métallique. On procède de même pour l'oxyde de silicium en utilisant un précurseur adapté ( par 25 exemple du Tri-DMA Si c'est à dire SiH[N(CH3)]3 ) et de l'ozone. On règle la stoechiométrie du film en faisant varier le nombre de couches monoatomiques d'oxyde métallique et d'oxyde de silicium ce qui permet d'ajuster la valeur de x. On réalise alors (étape 12) un condensateur tel que celui illustré sur 30 la figure 3 formé d'un diélectrique monocouche DL composé par l'alliage ALX encadré par deux électrodes El et E2, par exemple en nitrure de titane TiN. Puis, on applique une tension V entre les deux électrodes du condensateur, que l'on fait varier sur une plage donnée et l'on mesure la 35 valeur capacitive du condensateur pour chacune de ces valeurs de tension ce qui permet d'établir une courbe représentant la variation relative AC/C de cette valeur capacitive en fonction de la tension V. Comme illustré sur la figure 2, puisque la capacité relative AC/C est la somme d'un terme linéaire en tension et d'un terme en V2 (faisant intervenir le coefficient non linéaire quadratique en tension a, la courbe AC/C a une forme parabolique. On pourrait également représenter la variation AC/C en fonction de la tension V2 ce qui permettrait d'obtenir une droite de pente a. Dans l'exemple de la figure 2, l'alliage utilisé comprend l'oxyde de Zirconium ZrO2 en tant qu'oxyde métallique et l'oxyde de silicium SiO2. La courbe Cl montre l'évolution de la capacité relative en fonction de la tension pour x = 1 (oxyde de zirconium pur). Pour la courbe C2, x est égal à 0,95. Pour la courbe C3, x est égal à 0,8. Pour la courbe C4, x est égal à 0,1. Pour la courbe C5, x est nul (oxyde de silicium pur). A l'étape 14, on regarde si l'on a obtenu un changement du signe de la courbure entre deux valeurs successives de x, ce qui revient à regarder si on a eu un changement de signe pour la pente a. Si le signe n'a pas changé, on incrémente alors la valeur de x d'un pas p choisi, par exemple de 0,1 (étapes 15 et 16) et on recommence les étapes 11, 12, 13 et 14. Dans le cas où l'on a observé un changement du signe de la courbure pour x; par exemple (x = 0,1 dans le cas particulier de la figure 2) on recommence les opérations 11, 12, 13 et 14 en divisant le pas par 5 ou 10 typiquement (étape 18) à partir de la composition précédente jusqu'à une nouvelle valeur pour laquelle a change à nouveau de signe. On recommence toutes ces opérations jusqu'à obtention d'une capacité stable en tension (étape 17) c'est-à-dire présentant par exemple un coefficient a inférieur à 100ppm/V2 pour une épaisseur de diélectrique de 10nm ce qui correspond à un seuil de 100ppm.cm2.MV_2 pour y. On réalise alors le condensateur avec l'alliage ayant la composition ainsi ajustée (étape 19). Dans l'exemple particulier décrit ci-avant, un tel condensateur CD a un diélectrique DL monocouche formé de 6% d'oxyde de zirconium et de 94% de dioxyde de silicium. Sur la figure 4, on a représenté différentes valeurs de la composition d'oxyde de zirconium, l'évolution de la capacité surfacique Cs et l'évolution de y. Pour 7% de ZrO2, la capacité surfacique est de 5.7 nF/mm2 et le coefficient y, proche de 0, est égal à environ 16.4 ppm.cm2.MV-2. L'épaisseur du condensateur est de 10nm. Pour une valeur capacitive de 8nF/mm2 à stabilité élevée (yû16.4 ppm.cm2.MV-2) et en utilisant le même alliage, il faudrait que le condensateur possède environ 7nm d'épaisseur. On aurait alors un coefficient aû33.5ppm/V2. Pour une capacité double 11.4 nF/mm2 correspondant à 5 nm d'épaisseur de l'alliage, on obtiendrait un coefficient aû65ppm/V2. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un condensateur, caractérisé par le fait qu'on ajuste la composition d'un alliage diélectrique (AL) comportant deux matériaux diélectrique ayant respectivement des susceptibilités diélectriques non linéaires d'ordre deux de signes opposés de façon à obtenir un alliage ayant une susceptibilité diélectrique non linéaire d'ordre deux inférieure à un seuil choisi, et on réalise (19) le condensateur avec un diélectrique monocouche formé par ledit alliage. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le seuil est de l'ordre de 100 ppm.cm2.MV-2. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les deux matériaux diélectriques (A, B) sont un oxyde métallique amorphe et un oxyde de silicium. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on forme l'oxyde 15 métallique amorphe à partir d'un métal de transition. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4 , dans lequel l'alliage a une composition AXB(1_x) avec x compris entre 0 et 1, A désignant l'oxyde métallique amorphe et B l'oxyde de silicium, et on ajuste la valeur de x. 20 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel x est de l'ordre de quelques centièmes. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage est (ZrO2)X(SiO2)1_X avec x de l'ordre de 0,06. 8. Procédé de fabrication d'un circuit intégré, caractérisé par le fait 25 qu'il comprend une fabrication d'au moins un condensateur selon le procédé défini par l'une des revendications précédentes. 9. Condensateur, caractérisé par le fait qu'il comprend un diélectrique monocouche (DL) formé d'un alliage diélectrique présentant une susceptibilité diélectrique non linéaire d'ordre deux inférieure à un 30 seuil choisi et comportant deux matériaux diélectriques ayant respectivement des susceptibilités diélectriques non linéaires d'ordre deux de signes opposés. 10. Condensateur selon la revendication 9, dans lequel le seuil est de l'ordre de 100 ppm.cm2.MV-2. 11. Condensateur selon la revendication 9 ou 10, dans lequel les deux matériaux diélectriques sont un oxyde métallique amorphe et un oxyde de silicium. 12. Condensateur selon la revendication 11, dans lequel l'oxyde métallique amorphe est un oxyde d'un métal de transition. 13. Condensateur selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel l'alliage a une composition AXB(1_x) avec x compris entre 0 et 1, A désignant l'oxyde métallique amorphe et B l'oxyde de silicium, et la valeur de x est de l'ordre de quelques centièmes. 14. Condensateur selon l'une des revendications 9 à 13, dans lequel l'alliage est (ZrO2)X(SiO2)1_X avec x de l'ordre de 0,06. 15. Circuit intégré, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un condensateur selon l'une des revendications 9 à 14.