Chapitre 5 – Développement d’un procédé de dépôt sélectif par ajout d’une étape de
V.2. Comparaison des propriétés de l’oxyde de titane TiO 2 déposé en mode PEALD et par procédé sélectif
V.2.2. Caractérisations structurales des films de TiO 2 déposés en fonction du mode de dépôt utilisé
Comme noté précédemment, des mesures XRR ont été réalisées sur les deux couches et sont présentées en Figure 5.32. Ces mesures ont ensuite été modélisées afin de déterminer l’épaisseur des couches de TiO2 déposées, ainsi que leurs densités et leurs rugosités. Les valeurs obtenues sont
rassemblées dans le Tableau 5.3.
Tout d’abord, on s’intéresse à l’impact du procédé utilisé sur la rugosité des films déposés (a). On observe que plus l’angle est important, et moins les arches sont correctement définies pour le procédé sélectif, ce qui témoigne donc d’une chute en intensité relativement rapide du signal, contrairement au dépôt PEALD qui voit ces arches bien mieux définies pour les mêmes angles. Cela semble indiquer que la rugosité de cette première couche est plus importante que celle de la seconde. En regardant les valeurs extraites de la modélisation des courbes XRR, l’observation faite précédemment est confirmée avec une rugosité de 1,7 nm pour le film sélectif contre une rugosité de 0,8 nm pour le film PEALD. Si on s’intéresse maintenant à la densité des films, on peut voir (b) que l’angle critique est légèrement plus faible pour le TiO2 sélectif que pour le TiO2 PEALD. Cela traduit donc que le film de TiO2 déposé avec
le procédé sélectif a une densité un peu plus faible que le film déposé en PEALD. Cela est confirmé par les valeurs de densités extraites des mesures XRR et où une densité de 3,6 g.cm-3 est mesurée pour le
film sélectif et de 3,9 g.cm-3 pour le film PEALD.
Figure 5.32 – Mesures XRR des dépôts de TiO2 sur TiNen mode PEALD standard et en mode sélectif permettant la
183 TiO2 PEALD TiO2 sélectif
Epaisseur déposée (nm)
12,7
10,8
Densité (g.cm
-3)
3,9
3,6
Rugosité (nm)
0,8
1,7
Tableau 5.3 – Résultats obtenus après modélisation des données XRR permettant la détermination de l’épaisseur, de la densité et de la rugosité des films de TiO2 déposés sur TiN par PEALD standard et par procédé sélectif.
Ces résultats indiquent que le procédé de dépôt sélectif mis en place à un impact à la fois sur la rugosité et sur la densité du film déposé. La seule différence entre les deux procédés étant l’ajout d’une étape de gravure plasma à base d’espèces fluorées, on peut en conclure que c’est cette étape qui est principalement responsable de l’augmentation de la rugosité et de la faible densité obtenues pour la couche déposée en mode sélectif.
Nous avons ensuite voulu observer la morphologie des deux films. Pour cela nous avons réalisé des images MEB de nos couches en vue de dessus (Figure 5.33). Les images sont enregistrées ici avec une tension d’accélération de 10 kV. Une différence morphologique est observée. En effet, pour la couche déposée en mode PEALD, on observe très peu de grains sur la surface tandis que pour la couche sélective, la densité et la taille des graines semble plus importante.
TiO2 PEALD TiO2 sélectif
Figure 5.33 – Images MEB en vue de dessus de deux couches de TiO2 sur TiN, une déposée par PEALD et une autre déposée
par procédé sélectif.
La structure cristalline des deux couches de TiO2 déposées en mode PEALD et sélectif a été
étudiée par diffraction des rayons X. Ici, nous utilisons l’XRD en incidence rasante ou GAXRD (pour Grazing Angle XRD). La Figure 5.34 montre les diffractogrammes XRD des deux films de TiO2. Ceux-
184
ci mettent en évidence pour les deux couches, une structure cristalline de type anatase avec la présence du plan (101) à 25.4°.22 Un second à 42,8° est aussi visible et correspond au plan (200) du TiN.23 Les
deux diffractogrammes ont la même intensité malgré le bruit naturellement présent dans l’analyse de films aussi minces, ce qui laisse penser que l’état de cristallinité des deux couches est sensiblement identique.
Figure 5.34 – Diffractogrammes de deux couches de TiO2 sur TiN, une déposée avec un procédé PEALD et une avec le
procédé de dépôt sélectif.
Nous avons poursuivi par une étude de la rugosité par AFM (Figure 5.335) : la rugosité est respectivement de 0,75 nm et de 2,58 nm pour TiO2 PEALD et TiO2 avec dépôt sélectif. Cette analyse
de la rugosité par AFM confirme la tendance observée avec les données XRR. Le procédé sélectif a clairement un impact sur la rugosité des films. Les valeurs de rugosités obtenues par AFM sont cependant plus précises que celle obtenues par XRR. En effet, en AFM la rugosité est obtenue de façon physique, sans passer par un modèle, contrairement à l’XRR.
Pour savoir si la rugosité de surface est directement liée à l’étape de gravure, nous avons décidé de réaliser l’étude de l’impact de la durée de gravure sur le film de TiO2 déposé en PEALD. Pour cela,
nous prenons trois échantillons du dépôt PEALD de TiO2 comportant 240 cycles sur TiN. Ces trois
échantillons, placés sur « holder », sont introduits dans la chambre de réaction et sont soumis à 3, 9 et 18 secondes de gravure plasma à base de NF3, ce qui correspond respectivement à 1 « super cycle », 3
« super cycles » et 6 « super cycles ». Les échantillons sont ensuite passés à l’AFM ce qui permet de mesurer la rugosité. On trace alors le graphique qui représente la rugosité de surface des échantillons en fonction du temps de gravure, graphique montré en Figure 5.36. On observe que la rugosité du film de TiO2 évolue peu pendant les premières secondes de gravure, de 0,75 nm pour le film de référence à 0,83
185 nm après 9 secondes. En revanche, on note ensuite une augmentation spectaculaire de la rugosité de surface qui passe alors à 2,29 nm après 18 secondes de gravure. Cela indique très clairement que le procédé sélectif impacte de façon importante la rugosité du film de TiO2 déposé, et que l’étape de
gravure qui est répétée en est responsable.
TiO2 PEALD Rugosité = 0,75 nm
TiO2 sélectif Rugosité = 2,58 nm
Figure 5.35 – Images AFM de deux couches de TiO2 sur TiN, une déposée par PEALD et une autre déposée par procédé
sélectif.
Figure 5.36 – Graphique représentant la rugosité de surface de quatre échantillons en fonction du temps de gravure auquel ils sont respectivement soumis.
186
V.2.3. Compositions chimiques des films de TiO2 déposés en fonction du mode de dépôt