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A new high-k dielectric material, i.e., zirconium-doped tantalum oxide (Zr-doped TaOx), in the form of a sputter-deposited thin film with a thickness range of 5-100 nm, has been studied. Important applications of this new dielectric material include the gate dielectric layer for the next generation metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Due to the aggressive device scaling in ultra-large-scale integrated circuitry (ULSI), the ultra-thin conventional gate oxide (SiO2) is unacceptable for many practical reasons. By replacing the SiO2 layer with a high dielectric constant material (high-k), many of the problems can be solved. In this study, a novel high-k dielectric thin film, i.e., TaOx doped with Zr, was deposited and studied. The film’s electrical, chemical, and structural properties were investigated experimentally. The Zr dopant concentration and the thermal treatment condition were studied with respect to gas composition, pressure, temperature, and annealing time. Interface layer formation and properties were studied with or without an inserted thin tantalum nitride (TaNx) layer. The gate electrode material influence on the dielectric properties was also investigated. Four types of gate materials, i.e., aluminum (Al), molybdenum (Mo), molybdenum nitride (MoN), and tungsten nitride (WN), were used in this study. The films were analyzed with ESCA, XRD, SIMS, and TEM. Films were made into MOS capacitors and characterized using I-V and C-V curves. Many promising results were obtained using this kind of high-k film. It is potentially applicable to future MOS devices.

A new high-k dielectric material, i.e., zirconium-doped tantalum oxide (Zr-doped TaOx), in the form of a sputter-deposited thin film with a thickness range of 5-100 nm, has been studied. Important applications of this new dielectric material include the gate dielectric layer for the next generation metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Due to the aggressive device scaling in ultra-large-scale integrated circuitry (ULSI), the ultra-thin conventional gate oxide (SiO2) is unacceptable for many practical reasons. By replacing the SiO2 layer with a high dielectric constant material (high-k), many of the problems can be solved. In this study, a novel high-k dielectric thin film, i.e., TaOx doped with Zr, was deposited and studied. The film’s electrical, chemical, and structural properties were investigated experimentally. The Zr dopant concentration and the thermal treatment condition were studied with respect to gas composition, pressure, temperature, and annealing time. Interface layer formation and properties were studied with or without an inserted thin tantalum nitride (TaNx) layer. The gate electrode material influence on the dielectric properties was also investigated. Four types of gate materials, i.e., aluminum (Al), molybdenum (Mo), molybdenum nitride (MoN), and tungsten nitride (WN), were used in this study. The films were analyzed with ESCA, XRD, SIMS, and TEM. Films were made into MOS capacitors and characterized using I-V and C-V curves. Many promising results were obtained using this kind of high-k film. It is potentially applicable to future MOS devices.

Studium transportu náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách se zaměřuje především na objasnění vlivu defektů na vodivost těchto vrstev. Soustředíme se na studium oxidových nanovrstev Ta2O5 vytvořených pomocí anodické oxidace. Proces výroby Ta2O5 zahrnuje řadu parametrů, jež ovlivňují koncentraci defektů (oxidových vakancí) v této struktuře. Vrstva oxidu Ta2O5 o tloušťce 20 až 200 nm se často používá jako dielektrikum pro tantalové kondenzátory, které se staly nedílnou součástí elektrotechnického průmyslu. Kondenzátory s Ta2O5 dielektrickou vrstvou lze modelovat jako strukturu MIS (kov – izolant – polovodič). Anodu tvoří tantal s kovovou vodivostí, katodu potom MnO2 či vodivý polymer (CP), které jsou polovodiče. Hodnoty elektronových afinit, respektive výstupních prací, jednotlivých materiálů potom určují výšku potenciálových bariér vytvořených na rozhraních kov-izolant (M – I) a izolant-polovodič (I – S). Dominantní mechanizmy transportu náboje lze určit analýzou I-V charakteristiky zbytkového proudu. Dominantní mechanizmy transportu náboje izolační vrstvou jsou ohmický, Poole-Frenkelův, Shottkyho a tunelování. Uplatnění jednotlivých vodivostních mechanismů je závislé na teplotě a intenzitě elektrického pole v izolantu. Hodnota zbytkového proud je významným indikátorem kvality daného izolantu. Ten závisí na technologii výroby kondenzátoru, významně především na parametrech anodické oxidace a na materiálu katody. I-V charakteristiky zbytkového proudu se měří v normálním a reversním módu, tj. normální mód značí kladné napětí na anodě a reversní mód záporné napětí na anodě. I-V charakteristika je výrazně nesymetrická, a proto tyto kondenzátory musí být vhodně polarizovány. Nesymetrie I-V charakteristiky se snižuje s klesající teplotou, při teplotě pod 50 K a je možno některé kondenzátory používat jako bipolární součástky. Z analýzy I-V charakteristiky lze určit řadu parametrů, jako tloušťku izolační vrstvy a koncentraci defektů v izolační Ta2O5 vrstvě a dále lze odhadnout parametry MIS modelu kondenzátoru - stanovit hodnotu potenciálových bariér na rozhraních M – I a I – S. Měření C-V charakteristik při různých teplotách v rozsahu 10 až 300 K je využíto pro určení výšky potenciálové bariéry na rozhraní I – S, závislosti kapacity na teplotě a dále pro výpočet efektivní plochy elektrod. Z výbrusu vzorků na skenovacím elektronovém mikroskopu byly určeny tloušťky dielektrika Ta2O5 pro jednotlivé vyhodnocované řady kondenzátorů.

Thin films are an enabling technology for a wide range of applications, from microprocessors to diffusion barriers. Nanolaminate thin films combine two (or more) materials in a layered structure to achieve performance that neither film could provide on its own. Atomic layer deposition (ALD) is a chemical vapor deposition technique in which film growth occurs through self limiting surface reactions. The atomic scale control of ALD is well suited for producing nanolaminate thin films. In this thesis, ALD of two nanolaminate systems will be investigated: Al₂O₃-Ta₂O₅ and ZnO-SnO₂. Al₂O₃ and Ta₂O₅ are high κ dielectrics that find application as gate oxides for field effect devices such as metal oxide semiconductor field effect transistors and thin film transistors. Al₂O₃-Ta₂O₅ nanolaminate films of a fixed composition and total thickness, but with varied laminate structures, were produced to explore the influence of layer thickness on dielectric behavior. Layer thickness was found to have little impact on the dielectric constant but a strong impact on the leakage current. Thick layered nanolaminates (with 2.5 to 10 nm layers) performed better than either pure material. Showing structure provides a means of tailoring nanolaminate properties. ZnSnO is an amorphous oxide semiconductor used to make transparent TFTs. Although ALD is naturally suited to the production of nanolaminates, the deposition of homogenous ternary compounds is still uncommon. For very thin depositions, nucleation behavior can dominate, resulting in ALD growth rates different than for thicker films. Initial work on ALD of the ZnO-SnO₂ system is presented, focusing on nucleation and growth of each material on the other. It was found that both ZnO and SnO₂ inhibit the growth of one another and a method was developed to characterize the average growth rate for few cycle depositions. / Graduation date: 2011

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L'objectif de ce travail est de prédire les évolutions microstructurales se produisant dans le tantale pur lors d'un traitement thermique en fonction de son état microstructural initial. La restauration, la recristallisation et la croissance de grains sont décrites à l'aide d'un modèle en champ moyen qui nécessite une description adéquate de la microstructure, en termes de distributions de tailles de grains et de densités de dislocations équivalentes. La densité de dislocation équivalente moyenne peut être évaluée par une simple mesure de dureté Vickers. L'établissement de la relation dureté-densité de dislocations nécessite l'utilisation d'une loi de comportement basée sur la densité de dislocations équivalente. Les évolutions microstructurales au cours d'un traitement thermique ont été observées et les paramètres pilotant ces phénomènes ont été identifiés à l'aide d'essais originaux comme l'observation in situ de la recristallisation ou l'utilisation d'essais à gradient de déformation pour déterminer le seuil de densité de dislocations équivalente pour déclencher la recristallisation. Des essais plus classiques ont permis d'obtenir des cinétiques de recristallisation dans la gamme 1000°C-1100°C pour différentes microstructures initiales. Les simulations des différents traitements thermiques à l'aide du modèle à champ moyen rendent bien compte des évolutions microstructurales en termes de fraction recristallisée et de taille des grains recristallisés pour des microstructures faiblement déformées ou fortement déformées et fragmentées, en utilisant une description adéquate du type de microstructure initiale. Le modèle devra en revanche être adapté pour traiter le cas de microstructures intermédiaires, en enrichissant non seulement la description de la microstructure initiale mais également celle de l'étape de germination des grains recristallisés. Il deviendra alors capable de prédire les évolutions de microstructures pour tout type de microstructure initiale de tantale. / This study aims at predicting the microstructural evolution of pure tantalum during annealing according the initial microstructural state. Static recovery and discontinuous recrystallization as well as grain growth are described using a mean-field model requiring an appropriate description of the microstructure, using both equivalent dislocation densities and grain sizes distributions. The average equivalent dislocation density can be assessed from Vickers microhardness measurements. The calibration of such a relation between microhardness and dislocation density involves the use of a dislocation density-based constitutive law. Microstructural evolutions during annealing have been observed and control parameters of these phenomena have been determined using original tests such as in situ observation of the recrystallization process or the use of strain gradient samples to assess the critical dislocation density for the onset of recrystallization. More classical tests have been carried out to get recrystallization kinetics in the range 1000-1100°C for different initial microstructures. Simulations of annealing using the mean-field model adapted for tantalum match the experimental evolution of both recrystallized fraction and recrystallized grain size, in either weakly deformed or severely deformed and fragmented microstructures. On the other hand, the model needs to be further adapted for intermediate microstructures, with both a more elaborate description of the initial microstructure and of the nucleation stage of the recrystallized grains. It will then be suitable to predict evolutions of any initial tantalum microstructure during annealing.

La pertraction est une technologie émergente d’extraction liquide-liquide utilisant une barrière membranaire comme surface d’échange entre la phase aqueuse et le solvant. Un solvant très émulsif et/ou constitué par un extractant pur peut ainsi être utilisé sans la contrainte d’un écart de densité avec la phase aqueuse. Utiliser un extractant pur est d’un grand intérêt dans la perspective d’avoir une forte capacité de charge du solvant (>100 g.L-1). A ce titre, l’étude de la faisabilité de l’usage d’un extractant pur comme solvant dans le procédé de pertraction apparait pertinent. Cette thèse a donc pour objet l’étude du procédé de pertraction pour l’extraction des métaux d’intérêt en utilisant un solvant sans diluant. L’extraction des terres rares (néodyme (Nd), praséodyme (Pr) et dysprosium (Dy)) a été choisi comme objet de cette étude, par une démarche visant tout d’abord la sélection d’un solvant spécifique des lanthanides (le Nd comme modèle), le montage et l’optimisation d’un module de pertraction, et enfin la mise en œuvre d’un modèle de transfert de matière pour étudier l’influence des différents paramètres qui gouvernent le procédé. Le choix du solvant s’appuie ainsi sur 3 critères : son affinité pour le Nd, sa viscosité ainsi que sa solubilité en phase aqueuse. Pour la sureté du procédé son point éclair a également été pris en compte dans la sélection. Par cette approche, le N, N dibutylacétamide (DBAc) a été retenu pour sa viscosité modérée (< 5 mPa.s) mais son utilisation a nécessité l’addition de sels de nitrates en phase aqueuse pour augmenter son affinité pour le Nd par le déplacement de l’équilibre d’extraction dans le sens de la formation des complexes DBAc-Nd. Avec une capacité de charge supérieure 126 g.L-1, une application remarquable du DBAc s’oriente vers le recyclage des terres rares à partir d’un lixiviat de déchet d’aimant NdFeB, précisément dans la récupération sélective du Nd, du Pr, du Dy à partir d’un lixiviat nitrique contenant le fer, le bore, le cobalt et le nickel comme métaux compétiteurs. Les essais de pertraction ont tout d’abord été effectués à co-courant et en circuit fermé sur un module à monofibre creuse en polypropylène hydrophobe. Un modèle de transfert de matière a été développé sur la base des hypothèses classiques de la théorie des résistances en série afin de décrire le mécanisme de transfert à travers la membrane et prédire le profil de concentration du Nd en fonction du temps. L’utilisation du modèle a requis entre autres paramètres d’entrée le coefficient de diffusion du Nd en phase aqueuse et dans le solvant. La technique d’Analyse de la Dispersion de Taylor (TDA) a été développée pour la détermination expérimentale des valeurs du coefficient de diffusion. Les résultats expérimentaux de l’étude du système DBAc pur / Nd sont jugés en bon accord avec les données du modèle. Les valeurs des coefficients de transfert de matière dans les films et dans la membrane indiquent que l’étape limitante dans le transfert de matière est la diffusion des complexes Nd-DBAc dans le solvant, précisément à l’intérieur des pores de la membrane et dans le film coté solvant. Cette limitation pourrait s’expliquer par une viscosité relativement plus importante du DBAc pur en comparaison de la viscosité de la phase aqueuse. Pour rappel, le coefficient de diffusion est inversement proportionnel à la viscosité dans la corrélation de Stock-Einstein. Une perspective de développement de la pertraction comme technique d’extraction/recyclage est la récupération de métaux réfractaires comme le tantale et le niobium. Les études préliminaires de recherche d’un solvant de forte affinité et de grande sélectivité présentent la propriété de la méthylacétophénone pure (MAcPh) à extraire sélectivement le tantale à partir d’un lixiviat fluorhydrique de déchet de condensateur contenant du fer, du manganèse, du nickel et de l’argent comme impuretés, avec une capacité de charge supérieure à 150 g.L-1. / Pertraction is an emerging liquid-liquid extraction technology which use a membrane barrier as surface area between the aqueous phase and solvent. It thus offers the possibility to use very emulsive solvent and / or consisting of a pure extractant without any necessity of different density with the aqueous phase. The advantage of using a pure extractant is the possibility to have a high loading capacty of solvent (>100 g.L-1). So, we have studied the feasibility of pertraction of metals of interest by using a pure extractant as solvent. The extraction of rare earth metals (neodymium (Nd), praseodymium (Pr) and dysprosium (Dy)) was chosen as the aim of this study. The approach was defined by tree steps : identification of selective solvent for lanthanids (Nd as model), set-up and optimization of pertraction module, mass transfer modeling. The screening of solvent was governed by namely three criteria : its affinity for Nd, its viscosity and solubility in water. To avoid fire risk, the flashpoint of solvent was also taken into account in the selection. In this framework, N, N-dibutylacetamide was selected especially for its moderate viscosity (<5 mPa.s) but its employment required the use of nitrates for increase its affinity for Nd. With high loading capacity (> 126 g.L-1), a remarkable application of DBAc could be its use for selectively extract Nd, Pr, Dy and separate them each other from magnet waste containing impurities such as iron, boron, nickel, cobalt. Pertraction of Nd by DBAc pure has been made in recycle mode on polypropylene hollow fiber module. The mass transfer model has been developed on the basis of conventional assumptions of resistances in series theory in order to predict the concentration of Nd at different times. It has required some input parameters such as diffusion coefficient of Nd in aqueous and organic phases. Taylor dispersion analysis (TDA) has been used for the experimental determination of diffusion coefficients. Experimental data and model results were found to be in good agreement for the system DBAc/Nd. The values of mass transfer coefficients in films and membrane indicate that the mass transfer limiting step is the diffusion of DBAc-Nd in the solvent present in the membrane pores and in the diffusional film of the solvent. This can be explained by the relative high viscosity of solvent because diffusion coefficient is inversely proportional to viscosity in Stock-Einstein correlation. A development perspective of pertraction as liquid-liquid technology is the recovery of refractory metals like tantalum (Ta) and niobium (Nb). Preliminary studies for identify selective solvent present the properties of methylacetophenone pure (MAcPh) to extract selectively Ta from hydrofluoric solution of capacitor waste containing iron, manganese, nickel and silver as impurities with a loading capacity superior than 150 g.L-1.

<p>Due to the constantly decreasing dimensions of electronic devices, the conventional dielectric material in transistors and capacitors, SiO₂, has to be replaced by a material with higher dielectric constant. Some of the most promising candidates are tantalum oxide,Ta₂O₅, zirconium oxide, ZrO₂ and hafnium oxide, HfO₂.</p><p>This thesis describes new chemical vapour deposition (CVD) and atomic layer deposition (ALD) processes for deposition of Ta₂O₅, ZrO₂ and HfO₂ using the metal iodides as starting materials. The layer-by-layer growth in ALD was also studied in real time with a quartz crystal microbalance (QCM) to examine the process characteristics and to find suitable parameters for film deposition.</p><p>All the processes presented here produced high-purity films at low deposition temperatures. It was also found that films deposited on Pt substrates generally crystallise at lower temperature, or with lower thickness, than on silicon and single-crystalline oxide substrates. Films grown on MgO(001) and α-Al₂O₃(001) substrates were strongly textured or epitaxial. For example, monoclinic HfO₂ deposited on MgO(001) were epitaxial for deposition temperatures of 400-500 C in ALD and 500-600 C in CVD. Electrical characterisation showed that the crystallinity of the films had a strong effect on the dielectric constant, except in cases of very thin films, where the dielectric constant was more dependent on layer thickness.</p>