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. / 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.

Les besoins de la microélectronique pour les condensateurs de type DRAM sont résumés dans la feuille de route ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Pour descendre en dessous du noeud technologique 22 nm, des performances électriques telles qu'une épaisseur d'oxyde équivalent (EOT) < 0.5 nm et un niveau de courant de fuite < 1.10-7 A/cm² à 0.8 V sont nécessaires. Ces performances sont difficiles à atteindre si l'on considère des oxydes standards largement utilisés tels que le SiO2, le Si3N4 ou l'Al2O3. Le dioxyde de Titane constitue un matériau diélectrique de choix pour ce type d'application si l'on considère sa forte constante diélectrique, la plus haute des oxydes binaires. Selon les conditions de croissance de la couche de TiO2, celle-ci peut se présenter sous forme amorphe ou posséder une structure cristalline appelé phase anatase ou phase rutile. Cette dernière présente une très forte constante diélectrique (90 à 170 selon l'orientation de la maille cristalline) et en fait un atout indéniable pour le développement de condensateur DRAM. Toutefois, cette phase rutile est aussi à l'origine d'un fort courant de fuite mesuré à partir des structures Métal - Isolant - Métal (MIM) associées. De ce fait, il est primordial de savoir contrôler ces courants de fuite tout en gardant la forte valeur de constante diélectrique de la phase rutile. Dans ce travail, nous proposons de travailler sur la croissance des couches minces de TiO2 intégrées dans des structures MIM et déposées sur des substrats différents tels que des électrodes de RuO2/Ru ou de Pt. La technique de dépôt employée pour les couches minces de TiO2 est la technique ALD pour son contrôle très précis de l'épaisseur déposée et sa souplesse d'utilisation pour ce type d'applications. Les propriétés physico-chimiques des couches de TiO2 et l'influence du substrat sur ces propriétés sont analysées. Des compositions différentes de diélectriques sont élaborées au moyen de la technique de dépôt par ALD et notamment des couches minces de TiO2 dopés à l'aluminium. Les propriétés électriques de ces couches sont étudiées afin de déterminer les performances électriques des structures MIM associées en termes de courant de fuite et de densité capacitive. / The requirements for future dynamic random access memory (DRAM) capacitors are summarized in the International Technology Roadmap for Semiconductors. For sub-22 nm node, performances like equivalent oxide thickness (EOT) < 0.5 nm and leakage current density < 1.10-7 A/cm² at 0.8 V are required but are difficult to meet. Titanium dioxide (TiO2) is an attractive dielectric material for such application regarding its high dielectric constant (k). Depending on its growth conditions, TiO2 can be prepared in amorphous, anatase or rutile phase. From the structural point of view, it is generally preferred that TiO2 remains amorphous throughout a complete technological process to minimize leakage transport along grain boundaries. However, the rutile phase exhibits very high dielectric constant ranging from 90 to 170, depending on the lattice orientation. Due to this high dielectric constant, TiO2 rutile phase is considered as a promising material for capacitors in future generations of Dynamic Random Access Memories (DRAMs). A key issue is how to control the high leakage current of rutile phase while keeping the highest dielectric constant in order to get the best electrical performances. In this work, we investigate the growth of high dielectric constant rutile TiO2 films in Metal - Insulator - Metal (MIM) structures deposited on different substrates such as RuO2/Ru or Pt electrodes using ALD (Atomic Layer Deposition). A study of physico-chemical properties of TiO2 layer and influence of bottom electrodes on TiO2's crystalline structure is proposed. Different compositions of dielectrics are processed using flexibility of ALD deposition technique, including Al-doped TiO2 layers and pure TiO2 layers. Electrical properties in terms of leakage current or capacitance density of MIM structures embedding that kind of dielectrics and comparison between these MIM structures in terms of electrical performances is proposed in order to determine the best dielectric film composition to meet the requirements for next generation of DRAM capacitors.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEA-Leti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clé dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.