La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stSchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. Ce type de structure de test élémentaire présente des avantages par rapport à un micro commutateur RF : simplicité de fabrication, contrôle de la qualité du contact, suppression des effets mécaniques. Elle permet donc d'é tudier la réponse du diélectrique à se charger sans avoir à prendre en compte des défauts de contact ainsi que les effets mécaniques toujours présents dans un micro-commutateur. Enfin, les nano caractérisations par AFM sont présentées. Il s'agit d'une nouvelle méthode de caractérisation développée pour la première fois au LAAS pour évaluer la capacité d'une couche diélectrique à se charger sous champ élevé. En effet, cette technique a permis de tendre vers les conditions réelles d'utilisation du micro commutateur en réalisant une injection de charges localisée puis en suivant l'évolution spatio-temporelle des charges en condition de circuit ouvert.

Depuis plus de dix ans les capacités MIM (Métal Isolant Métal) sont des composants passifs largement intégrés au niveau des interconnections des puces de microélectronique. A cause de la miniaturisation et de la réduction de la surface des puces, la densité de capacité des capacités MIM doit être constamment augmentée. Une solution est l'utilisation d'un isolant avec une constante diélectrique élevée dit « high-k ». Pour les prochaines générations de condensateurs, des densités de capacité supérieur à 30 fF/µm² sont visées. L'oxyde de zirconium (ou zircone) a été sélectionné pour remplacer de l'oxyde de tantale actuellement utilisé. Il possède une constante diélectrique qui dépend de sa structure cristalline. Elle est respectivement de 17, 47 et 37 dans les phases monoclinique, quadratique et cubique. Il est donc nécessaire de déposer la zircone dans la phase quadratique. Cependant, les couches minces de zircone ne sont pas entièrement cristallisées dans la phase quadratique. De plus, elles ne répondent pas aux critères de fiabilité requis par la microélectronique. L'objectif de cette thèse est la stabilisation de la zircone dans la phase quadratique par le dopage. Le tantale et le germanium sont les deux dopants choisis grâce à une étude de sélection de matériaux. Des couches minces d'environ 8 nm de zircone dopée à différentes concentrations ont été réalisées par PEALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). Après les dépôts, des recuits à 400°C pendant 30 min ont été effectués afin de reproduire les traitements thermiques subis par les couches lorsqu'elles sont intégrées dans des puces de microélectronique. Plusieurs types de caractérisations ont été effectuées afin d'étudier l'influence des dopants sur la structure cristalline de la zircone mais aussi sur ses propriétés physico-chimiques. Des tests électriques sur des capacités MIM intégrées ont permis de mesurer les propriétés électriques des couches et la fiabilité de la zircone dopée a été évaluée. Ce travail a pour but la fabrication d'une capacité MIM planaire à base d'oxyde de zirconium dopée dont la densité de capacité sera supérieure à 30 fF/µm² pour des applications de découplage. / For more than ten years Metal-Insulator-Metal capacitors (MIM) have been integrated at the level of copper interconnections. All new technology nodes have led to a decrease of the surface of chips; capacitance density must be thus enhanced. The best solution is to use a material with a high dielectric constant commonly named “high-k”. For the next MIM capacitor generation, capacitance density has to be higher than 30 fF/µm². Tantalum oxide, currently used, has reached its limits and it must be replaced. Zirconium dioxide has a high dielectric constant of 47 in the tetragonal phase with a sufficient band gap for MIM applications. When deposited in thin films, zirconia is not fully crystalized in the tetragonal phase. Moreover, this pure zirconium oxide does not fulfill the reliability criteria. The aim of this work is to stabilize zirconia in its tetragonal phase by alloying it with other elements. Tantalum and Germanium are the two dopants selected thanks to a bibliographic study. Thin layers of zirconia of 8 nm alloyed with Tantalum and Germanium have been deposited by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD). Samples were annealed at 400°C during 30 minutes after deposition to reproduce the thermal conditions that microelectronic chips are submitted to. Different characterization technics have been used to study the effect of dopants on zirconia's crystalline structure and its physic-chemical properties. Tests have been made on integrated MIM capacitors with Titanium Nitride electrodes to determine the electrical properties of the layers. Reliability of zirconia doped layers was also evaluated. The purpose of this work is the production of zirconia based planar MIM capacitor with a capacitance density of 30 fF/µm².

Dans l'optique d'une miniaturisation dans le secteur de la microélectronique et plus particulièrement dans celui de la téléphonie mobile, les matériaux pérovskites à très haute constante diélectrique sont des candidats intéressants au remplacement des diélectriques actuellement utilisés dans l'élaboration des capacités Métal/Isolant/Métal (MIM). Ce travail est consacré à l'élaboration et à la caractérisation de couches minces de titanate de strontium (SrTiO3) et de titanate de baryum (BaTiO3) déposées par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) dans des structures capacitives MIM Pt/diélectrique/Pt.<br />Une optimisation des dépôts à l'aide de plans d'expériences a été réalisée afin d'obtenir la constante diélectrique la plus élevée et ce, pour des températures d'élaboration les plus faibles possibles en vue de l'intégration des structures MIM sur les circuits intégrés.<br />Des analyses d'EXAFS, de XRR et d'AFM TUNA nous ont permis de comprendre l'influence de la microstructure des matériaux (taille de grain) et de la technologie d'élaboration des capacités (épaisseur de diélectrique, procédé de gravure de l'électrode supérieure et nature des électrodes) sur les propriétés des capacités MIM.<br />Une étude des multicouches SrTiO3/BaTiO3 a également été menée dans le but d'observer l'influence de la périodicité des empilements sur leurs propriétés électriques (constante diélectrique, linéarité en tension).

Le besoin grandissant de fabriquer des circuits aux fonctions de plus en plus nombreuses<br />nécessite de développer des dispositifs électroniques nouveaux. Les condensateurs<br />METAL-ISOLANT-METAL (MIM) intégrés dans les interconnexions des circuits font<br />partie de ces dispositifs. La course à la réduction de surface de substrat occupée impose<br />de réduire les dimensions de ces condensateurs MIM et d'augmenter leur densité surfacique<br />de capacité.<br />Pour atteindre cette performance il est nécessaire d'utiliser des diélectriques à plus forte<br />permittivité que SiO2. Les oxydes métalliques Al2O3, HfO2 et Ta2O5 font partie des candidats<br />intéressants pour remplir ce rôle de diélectrique à forte permittivité. Néanmoins<br />l'utilisation de tels matériaux ne va pas sans poser de problèmes de courants de fuite, de<br />relaxation diélectrique et de non-linéarités en tension. Du fait de leurs faibles amplitudes,<br />les non-linéarités de capacité en fonction de la tension sont des phénomènes peu étudiés<br />et donc mal compris. Pour certaines applications spécifiques il est nécessaire de contrôler<br />et de limiter ces non-linéarités. Cela nécessite d'abord d'étudier en profondeur leurs caractéristiques et notamment leurs origines physiques.<br />Après des rappels généraux sur la physique des diélectriques, ce manuscrit de thèse<br />présente une étude ab initio des propriétés diélectriques du cristal alpha-Al2O3 qui permet<br />d'extraire le tenseur diélectrique entre 0 et 1E16 Hz et qui montre que la contribution<br />électronique à la permittivité ne dépend pas du champ électrique. Cette première partie,<br />théorique, est suivie d'une étude exhaustive de capacités MIM à base d'alumine amorphe<br />dont on tire les principales caractéristiques des non-linéarités de capacitéen fonction du<br />champ électrique appliqué. Nous proposons ensuite deux modèles physiques (un qui repose<br />sur la polarisation dipolaire et un qui repose sur la polarisation ionique) afin d'interpréter<br />les caractéristiques C(V,T). La dernière partie de ce manuscrit de thèse propose de comparer<br />les caractéristiques électriques des capacités à base d'alumine à celles de capacités<br />utilisant d'autres diélectriques, en particulier le Ta2O5, le Si3N4 et le SiO2. La fin de cette<br />partie est consacrée à l'étude de capacités « multicouches » pour lesquelles on propose<br />un modèle simple pour prévoir les non-linéarités de capacité en fonction de la tension<br />appliquée.<br />Ainsi ce travail de recherche fournit une vue générale des propriétés diélectriques de<br />matériaux diélectriques utilisés en microélectronique tant d'un point de vue théorique<br />que d'un point de vue expérimental.

La miniaturisation des composants dans la micorélectronique touche maintenant les composants passifs comme les capacités MIM (Métal/Isolant/Métal). Pour augmenter la densité de capacité des capacités MIM, les diélectriques conventionnels (SiO2, ε = 3.9) sont remplacés par des diélectriques à haute permittivité diélectrique dits « high-k » comme ZrO2. Sa permittivité ε est égale à 47 lorsqu'il se trouve sous la phase tétragonale. Le procédé de dépôt de ZrO2 est la méthode PEALD. Nous avons étudié le procédé de dépôt de ZrO2 avec les précurseurs TEMAZ et ZyALD. Les propriétés thermodynamiques du TEMAZ ont été analysées par spectrométrie de masse. L'influence des paramètres du procédé PEALD et de post-traitements sur les mécanismes de formation de la zircone tétragonale a été étudiée. De nombreuses méthodes de caractérisation (XRD, Raman, TEM, SIMS, XPS, caractérisations électriques...) ont été employées afin d'établir un optimum propriétés des films de ZrO2 / performance du procédé de dépôt.