Etude et optimisation de capacités MIM 3D à haute densité d'énergie fortement intégrées sur silicium

Le stockage de l’energie reste une problematique majeure pour le developpement d’objets embarques (Internet of Things) a faible facteur de forme. En effet, pour le stockage et la restitution d’energie electrique, les dispositifs les plus couramment utilises sont les batteries, les supercondensateurs et les condensateurs electrochimiques ou ceramiques. Toutefois, le contexte de la miniaturisation necessite de fabriquer des systemes de stockage a forte densite d’integration, compatibles avec des techniques d’integration de type SIP (System in Package) et ultimement SoC (System on Chip). Or, les technologies connues dans l’art anterieur produisent des composants a forte epaisseur, via des filieres technologiques exotiques, incompatibles avec une co-integration directe sur des composants silicium. Pour repondre a ces exigences, nous proposons une nouvelle approche pour l’integration de condensateurs de tres faible epaisseur sur silicium. Ces condensateurs presentent une meilleure fiabilite et de meilleures performances en linearite que les condensateurs ceramiques et peuvent stocker une densite energetique proche de celle d’un condensateur electrochimique.Cette these est axee sur la conception, le developpement, la realisation, la caracterisation electrique et fiabilite de capacites MIM (Metal/Isolant/Metal) a forte densite d’integration et presentant une forte densite energetique. Ces condensateurs sont modeles dans une nanostructure poreuse ordonnee et developpee par un procede electrochimique. Cette nanostructure 3D permet de decupler la surface specifique developpee, par rapport a une structure planaire simple ou une microstructure 3D telle qu’actuellement exploitee par la societe IPDIA. Ce nanocomposant MIM comportant un isolant a base d’alumine, depose par ALD (Atomic Layer Deposition) d’une epaisseur variant entre 15nm et 21nm. Pour cette gamme d’epaisseur, une densite de capacite de l’ordre de 200nF/mm² a 300nF/mm² est obtenue sur une simple structure MIM, avec un champ de claquage de l’ordre de 7MV/cm et une densite d’energie volumique maximale de 1.3mWh/cm3. Cette derniere valeur est superieure d’une decade aux technologies actuellement exploitees par la societe IPDIA. Une attention particuliere a ete apportee a la reduction des parasites de la structure, et lui permettant ainsi de repondre a des transitions rapide en courant. Pour cela, la resistance serie de ces structures a ete optimisee par l’amelioration du contact entre les nanostructures MIM et les electrodes externes. La stabilite de la capacite MIM en temperature et en tension est comparable aux performances des technologies de reference IPDIA (respectivement avec un coefficient thermique de 193ppm/°C et un coefficient de tension de 489 ppm/V2), lesquelles sont basees sur une structure composite de type ONO (multicouche oxyde-nitrure). Elle est par ailleurs meilleure que celle observee pour les condensateurs ceramiques multicouches disponibles sur le marche. Notre capacite presente egalement, une excellente robustesse en temperature et a ete utilisee jusqu’a 375°C. Les performances demontrees sur les prototypes realises au cours de ce travail, permettent d’envisager un vaste domaine d’applications, incluant des applications de stockage, de filtrage de rails d’alimentation, de mise en forme de signaux analogiques et de puissance. Le niveau de maturite atteint sur les premiers demonstrateurs permet d’envisager un transfert industriel dans les mois a venir.