Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement des technologies CMOS 32/28nm chez STMicroelectronics. Elle porte sur l'étude d'empilements de grille métal/diélectrique high-k élaborés selon une stratégie d'intégration Gate First, où le couple TiN/HfSiON est introduit avec une couche interfaciale SiON et une encapsulation de la grille TiN par du polysilicium. Cette étude s'est principalement focalisée sur l'analyse des interactions entre les différentes couches constituant les empilements, en particulier des additifs lanthane et aluminium, employés pour moduler la tension de seuil Vth des transistors NMOS et PMOS respectivement. Les analyses physico-chimiques réalisées au cours de ces travaux ont permis de mettre en évidence la diffusion en profondeur des éléments La et Al à travers le diélectrique de grille HfSiON sous l'effet du recuit d'activation des dopants à 1065°C. Les résultats obtenus ont montré que ce processus de diffusion entraine une réaction du lanthane et de l'aluminium avec la couche interfaciale de SiON pour former un silicate stable La(ou Al)SiO au profit de la couche de SiON. L'analyse des propriétés électrique des structures MOS a permis de révéler que la présence d'atomes La ou Al proximité de l'interface HfSiON/SiON conduit à la présence d'un dipôle généré à cette interface, qui a pour effet de décaler le travail de sortie effectif de la grille métallique. / This thesis is part of the development of CMOS technologies 32/28nm STMicroelectronics. It focuses on the study of stacks of metal / high-k dielectric prepared by an integration strategy Gate First , where the couple TiN / HfSiON gate is introduced with an interfacial layer SiON and encapsulation of TiN gate polysilicon by . The study was mainly focused on the analysis of interactions between the various layers forming the stacks , in particular lanthanum and aluminum additives , used for modulating the threshold voltage Vth of the PMOS and NMOS transistors respectively . The physico-chemical analyzes in this work helped to highlight the depth distribution of the elements La and Al through the HfSiON gate dielectric under the influence of dopant activation annealing at 1065 ° C. The results obtained showed that this diffusion process causes a reaction of lanthanum and aluminum with the interfacial layer of SiON to form a stable silicate La ( or Al ) SiO benefit of the SiON layer . The analysis of electrical properties of MOS structures revealed that the presence of the atoms near the Al or HfSiON / SiON interface leads to the presence of a dipole generated at this interface , which has the effect of shifting actual output work of the metal gate.

Les mémoires non-volatiles Flash sont aujourd'hui un élément clé du développement de l'électronique portable demandant de plus en plus de capacité de stockage à bas coût (netbook, téléphones mobiles, PDA, clé USB...). Afin d'assurer son maintien pour les années à venir, il est nécessaire de poursuivre l'amélioration de cette technologie. Ainsi, l'intégration de matériaux à forte permittivité électrique (appelés : High-k) et l'utilisation de mémoires à couche de piégeage discret sont de plus en plus envisagées. Le travail de cette thèse s'inscrit dans ce contexte. Il comprend tout d'abord une étude électrique (charge fixe, piégeage, courants de fuite...) de matériaux High-k (HfO2, HfAlO, Al2O3, HfSiON) en vue de leur intégration dans les mémoires non-volatiles. Les empilements les plus prometteurs ont ensuite été intégrés dans des mémoires à nanocristaux de silicium ou à couche de piégeage nitrure. Les performances électriques ont été reliées aux propriétés matériaux des couches utilisées. L'analyse des résultats électriques ainsi que la compréhension physique des mécanismes mis en jeux a été permise par une étude de modélisation. En particulier, un modèle complet de mémoire à couche de piégeage discret a été développé.

Avec l'augmentation accrue du nombre de fonctions embarquées directement au dessus du circuit intégrés, les capacités Métal Isolant Métal (MIM) sont devenues des composants essentiels en microélectronique. Pour permettre une augmentation de la densité d'intégration des composants, des matériaux à forte permittivité ou high κ sont utilisés comme diélectriques. Cet isolant doit satisfaire plusieurs critères: une forte valeur de capacité surfacique, de faibles courants de fuite ainsi qu'une très bonne stabilité de la capacité surfacique avec la tension appliquée (linéarité en tension). Cependant, aucun n'est parvenu à satisfaire tous les critères, ce qui nécessite d'autres approches comme l'utilisation d'oxyde en structures multicouches ou alliées. De plus, la linéarité en tension des capacités est mal maîtrisée et son origine mal comprise. Ainsi, nous avons tout d'abord étudié le rôle du matériau d'électrode (TiN, Pt, WSi2,3 et WSi2,7) et de son interface avec l'oxyde d'yttrium déposé par MOCVD avec ou sans assistance plasma sur les performances électriques. On observe une dépendance de la linéarité en tension selon le matériau d'électrode utilisée. Un modèle double couche a été proposé pour décrire la non linéarité des capacités MIM en tension. Puis, différentes structures bicouches, multicouches ou alliées ont été étudiées (LaAlO3/Y2O3, structures à base de HfO2 et Al2O3, SrTiO3/Y2O3). Les bicouches SrTiO3/Y2O3 ont permis l'obtention d'une valeur de capacité surfacique de 10 fF/µm² et de minimiser la non-linéarité (paramètre α de -750 ppm/V²).

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).