Etude de caractérisation de matériaux diélectriques de grille à forte permittivité pour les technologies CMOS ultimes

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne l\u27étude de nouveaux matériaux diélectriques à forte permittivité ("high-k") en vue de leur intégration comme isolant de grille dans les technologies CMOS ultimes. En effet, la miniaturisation agressive des dispositifs microélectroniques se heurte aujourd\u27hui aux limites du SiO2 et imposera à échéance de 2 ou 3 ans, son remplacement par un isolant à constante diélectrique plus élevée, ce qui constitue une véritable rupture technologique. Parmi les matériaux candidats les plus prometteurs, Al2O3 ("modeste-k"), HfO2 ("high-k") et SrTiO3 ("very high-k"), représentent des solutions potentielles à respectivement court, moyen et long terme. Le principal enjeu de cette intégration est d\u27atteindre des épaisseurs équivalentes d\u27oxyde (EOT) inférieures à 1 nm tout en maintenant des courants de fuite acceptables pour les applications envisagées. Les points bloquants se situent dans la comptabilité technologique de ces matériaux, leur stabilité thermodynamique, la maîtrise de la couche interfaciale et sa qualité électrique. Les diélectriques en film mince étudiés dans ce travail ont été élaborés par deux techniques de dépôt de type industriel, les dépôts chimiques en phase vapeur par couche atomique (ALD) pour Al2O3 et HfO2, ou aux organo-métalliques (MOCVD) à injection, pour SrTiO3. Nous mettons en évidence la très bonne stabilité thermique de Al2O3, qui conserve un caractère amorphe pour des températures de recuits supérieures à 800 C. Une couche de transition, principalement constituée de SiO2 ou (et) de silicate, est observée à l\u27interface avec le substrat de Si. Celle-ci se forme pendant le dépôt et les traitements thermiques ultérieurs et dépend fortement de la préparation du substrat avant dépôt. Un comportement similaire est observé pour HfO2. Nous montrons également que les propriétés électriques de ces matériaux (constante diélectrique, EOT, tension de bande plate, charges dans l\u27oxyde, densité d\u27états d\u27interface) évolue