Development of MIM structures based on titanium dioxide for DRAM applications
Etude des structures MIM à base de dioxyde de titane pour des applications DRAM
Résumé
The development of high performance dynamic random access memory (DRAM) based on metal-insulator-metal (MIM) structure made it necessary to replace the conventional silicon dioxide layer by dielectric materials with high dielectric constants. The use of these so-called high-k insulators allows aggressive scaling of DRAM devices while keeping high capacitance density and, more importantly, low leakage current. Among the numerous high k dielectrics, titanium dioxide (TiO2) is one of the most attractive candidate due to its rather high dielectric constant (k). Rutile TiO2 is the interesting phase due to its high dielectric constant and the possibility to deposit this phase at low temperature by ALD (< 250 °C) by using RuO2 substrate thanks to a very small lattice mismatch between the two materials. The main objective of this thesis is to investigate the surface chemical reactions mechanisms at the RuO2/TiO2 interface and their influence on the ALD TiO2 film properties, especially the influence of oxidizing species, namely, H2O or O2 plasma. The influence of bottom and top electrode on electrical and structural proprieties of TiO2 MIM structure was also studied. Then, the dielectric constant, the ac conductivity and the loss tangent of aluminum doped titanium oxide are measured through a wide band frequency range, from 1 Hz to 2 GHz. Finally, the feasibility of three-dimensional (3D) MIM structures was studied by using dense array of truncated conical holes etched in a silicon substrate. The 3D MIM capacitors showed a large increase in the capacitance density while retaining very good electrical properties especially a leakage current comparable to planar MIM devices.
Le développement des mémoires dynamiques (DRAM) à haute performance basées sur la structure métal-isolateur-métal (MIM) nécessite de remplacer la couche de dioxyde de silicium par des matériaux diélectriques à haute permittivité diélectrique. L'utilisation de ces isolants dits high-k permet de réduire la taille du dispositif DRAM tout en conservant une densité de capacité élevée et un faible courant de fuite pour diminuer la fréquence de rafraichissement. Parmi les nombreux matériaux high k, le dioxyde de titane (TiO2) est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de sa constant diélectrique relativement élevée pouvant atteindre 170 dans le TiO2 cristallisé en phase rutile. De plus, il est possible d’obtenir cette phase à basse température par le procédé ALD (< 250 °C) si le dépôt est réalisé sur un substrat RuO2 (phase rutile) grâce à une très faible différence de paramètres de maille entre les deux matériaux. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier les mécanismes des réactions chimiques qui se produisant à l'interface RuO2/TiO2 lors du dépôt et leur influence sur les propriétés structurales et diélectriques du film TiO2, en particulier l'influence des espèces oxydantes, le plasma O2 et le H2O. L’influence des électrodes supérieure et inferieures sur les propriétés électriques et structurales de TiO2 a également été étudiée. Ensuite, la constante diélectrique, la conductivité ac et la tangente de perte des structures MIM à base d’oxyde de titane dopé aluminium ont été étudiés dans une gamme de fréquences large bande, de 1 Hz à 2 GHz. Enfin, la réalisation des MIM tridimensionnelles (3D) utilisant un substrat de silicium structuré en réseaux des trous coniques denses a été démontrée. Les structures MIM 3D réalisées ont permis d’augmenter sensiblement la densité de capacité tout en gardant de bonnes performances en termes de courant de fuite.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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