COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS PAR MEB-FEG ET PAR MET

MET

Jusqu’à présent, toutes les densités présentées dans ce manuscrit sont issues d’analyses MEB- FEG.

Or nous avons observé que cette technique atteint les limites de sa résolution pour les nanoplots présentant une forte densité et une faible taille. Ceci a été particulièrement vrai pour les dépôts à 500°C et 0,5 Torr.

En partenariat avec P.Donnadieu du LTPCM/INPG, nous avons donc décidé d’utiliser la Microscopie Electronique à Transmission afin d’abaisser cette limite de résolution.

Du fait de la lourdeur de la préparation des échantillons, seuls quelques essais parmi ceux présentés précédemment ont été étudiés.

La méthode de traitement d’image utilisée pour post-traiter les images MET a été présentée au chapitre 2. Les densités et les tailles des nanoplots ont été directement mesurées sur les images post-traitées.

Nous allons dans ce paragraphe comparer les différents résultats en terme de densité et de taille des nanoplots obtenus par MEB-FEG et MET.

Nous avons analysé par MET des nanoplots élaborés à partir de silane pur dans le réacteur TEL mais aussi à partir de silane dilué dans l’azote et de disilane pur dans le réacteur Secteur. Pour les échantillons des dépôts élaborés dans le réacteur TEL, nous avons privilégié les essais faits à 500°C et 0,5 Torr pour lesquels nous ne distinguions aucun nanoplot par les analyses MEB-FEG du fait sûrement de leurs faibles tailles (< 2 nm).

Les conditions opératoires des échantillons étudiés sont données dans le tableau III.13. Les images obtenues par analyses MEB-FEG et par analyses MET sont fournies en annexe n°8. Les densités et les tailles obtenues par caractérisations MEB et MET sont données dans le tableau III.14.

Nous constatons que les densités obtenues par caractérisations MET sont plus élevées que celles déduites des caractérisations MEB. L’inverse est observé pour les rayons.

De plus, nous obtenons, par analyses MET, des densités très élevées, et parfois supérieures à celles qui ont pu être reportées dans la littérature. Ainsi des valeurs de 6.1012 et de 7.1012 plots/cm2 ont été obtenues dans le réacteur TEL et dans le réacteur Secteur à partir de silane dilué dans l’azote.

Essais T (°C) P (Torr) QSiH4 (sccm) QN2 (sccm) QSi2H6 (sccm) t (s) Position dans la charge T07 600 0,12 300 0 0 7 85 T15 500 0.5 1500 0 0 60 133 T18 500 1 1500 0 0 60 133 T20 500 1 1500 0 0 180 133 S40 590 6 10 3000 0 40 133 S25 600 2 20 1000 0 40 133 S29 600 6 10 1000 0 20 133 S17 402 2 0 0 100 100 133 S42 402 6 0 0 200 59 133

tableau III.13 : Conditions opératoires étudiées pour les caractérisations MET

Essais

densité (plots/cm2) rayon (nm)

MET MEB MET MEB+ellipsométrie spectroscopique

MET+ellipsométrie spectroscopique

T07 1,0.1012 8,6.1011 2,0 2,7 2,04

T15 6,0.1012 non

mesurable 1,4 non mesurable 1,07

T18 2,0.1012 5,9.1011 2,5 3,6 1,90 T20 4,0.1012 9,0.1011 1,7 4,2 2,02 S40 5,0.1012 1,1.1012 2,3 3,9 1,86 S25 2,0.1012 1,2.1012 2,6 3,8 2,55 S29 7,0.1012 7,1.1011 2,0 4,6 1,70 S17 4,0.1012 1,1.1012 2,5 3,9 2,02 S42 3,0.1012 8,8.1011 2,2 4,3 2,27

tableau III.14 : Densités et tailles obtenues par caractérisations MEB-FEG et MET

D’autre part, d’un échantillon à l’autre, les valeurs de densités et de rayon n’évoluent pas dans le même sens par MET et par MEB. Ce résultat est dû aux approximations faites lors du comptage des nanoplots. Nous avons vu au chapitre 2 que l’erreur de mesure pour la détermination des densités sur les images MEB est de 7%. Nous pouvons penser que l’erreur de mesure due au comptage manuel présente le même ordre de grandeur pour les valeurs MET.

De ce fait, en observant les images MEB-FEG et MET données en annexe n°7, et les résultats de densité et de taille, données dans le tableau III.14, nous pouvons constater que nous avons une assez bonne corrélation en densité notamment pour les essais T07 et S25. Une corrélation correcte est obtenue pour les essais T18, S17 et S42. Pour les essais T20, S29 et S40, les écarts obtenus en terme de densités sont les plus forts.

Pour les rayons, nous avons une corrélation correcte pour les essais T07, T18, S25, et pour S42, S17 et S40. Une moins bonne corrélation est obtenue pour les essais T20 et S29.

Mais, si au lieu de mesurer les rayons directement sur les images MET, nous calculons les tailles des nanoplots à partir des densités mesurées par MET et des épaisseurs obtenues par mesures ellipsométriques nous obtenons les valeurs données dans le tableau III.14.

Avec cette méthode de calcul similaire à celle utilisée par MEB, nous retrouvons des tailles similaires entre les deux techniques de caractérisation. Ce résultat semble logique puisque d’après la relation donnée au chapitre 2, permettant de déterminer la taille des nanoplots, la densité intervient à la puissance 1/3. La différence entre les deux densités obtenues par MEB et par MET est assez faible une fois intégrée dans cette relation du calcul du rayon.

Le fait de trouver des densités plus fortes et des tailles un peu plus faibles en moyenne par analyses MET avec des écarts plus ou moins conséquents pour les densités et les tailles peut s’expliquer par les résolutions différentes des deux microscopes.

En effet, nous avons pu voir que si les nanoplots avaient des tailles inférieures à 2 nm en diamètre alors nous ne pouvions pas les distinguer nettement lors des caractérisations MEB. Par MET, leur visualisation est tout à fait possible.

C’est le cas pour l’essai T15, où nous ne distinguions aucun nanoplot sur les images MEB mais par étude MET des nanoplots de rayon moyen de 1,4 nm ont été mesurés. Cette taille est effectivement la limite de résolution du MEB.

Lors des analyses MET, de plus forte résolution, les nanoplots de taille inférieure à 2 nm en diamètre sont donc observables, contrairement au MEB, ce qui augmente la densité en nanoplots.

Les figures 16 et 17 montrent les images MEB et MET obtenues pour les essais S29 et S25. Il s’agit de deux dépôts pour lesquels nous avons obtenu respectivement une bonne corrélation (essai S25) et un écart significatif entre les densités et les tailles (essai S29)

Image MEB Image MET

figure III.16 : Images MEB et MET obtenues pour l’essai S29

Image MEB Image MET

figure III.17 : Images MEB et MET obtenues pour l’essai S25

Nous pouvons constater sur l’image MEB de l’essai S29 que les nanoplots sont éloignés les uns des autres. Il est donc tout à fait probable que dans le cas de l’essai S29, de petits nanoplots (de

60 nm _{60 nm}

taille inférieure à 2 nm) soient présents entre les nanoplots observés. En effet, tout au long du dépôt, le phénomène de nucléation est présent en parallèle avec la croissance.

Dans le cas de l’essai S25, cette hypothèse est moins réaliste du fait du rapprochement plus marqué des nanoplots entre eux et nous pouvons supposer que beaucoup moins de nanoplots de petites tailles sont présents.

En conclusion, nous pouvons estimer que nous obtenons une corrélation correcte entre les résultats obtenus par caractérisations MEB et MET.

De plus, du fait d’une meilleure résolution du MET, les densités obtenues sont plus fortes puisqu’elles sont pour chaque dépôt supérieures à 1012 plots/cm2. Les tailles, mesurées sur les images MET, sont quant à elles plus faibles.

De très fortes densités de nanoplots ont été obtenues : 6.1012 plots/cm2 et 7.1012 plots/cm2, qui à notre connaissance, n’ont jamais été atteintes par LPCVD.

5 CONCLUSION

Dans la première partie de ce chapitre, nous avons obtenu une excellente reproductibilité des dépôts dans le réacteur TEL avec une irreproductibilité de 3%. La reproductibilité des dépôts dans le réacteur Secteur est moins bonne, de l’ordre de 10% en densité et 3% en taille. Malgré tout, ces divers résultats sont convenables puisque ces irreproductibilités sont très proches de l’erreur de mesure de 7% en densité et en taille.

Une étude de l’uniformité sur charge dans le réacteur TEL a montré que la non-uniformité maximale atteinte est de  10% en densité et 6% en taille. Ces valeurs ont été obtenues dans le cas où les densités de nanoplots sont fortes, autour de 1012 plots/cm2, avec des qualités d’images MEB- FEG mauvaises donc des erreurs de mesures plus fortes. Dans le cas de faibles densités, les uniformités sur charge sont excellentes.

Des progrès seraient donc a priori à réaliser pour améliorer l’uniformité sur charge dans ce réacteur.

Il a été montré dans la littérature que, pour que l’ensemble des nanoplots déposés sur une plaque soit utilisable pour la fabrication de mémoires non volatiles à nanoplots, les écarts en densité et en taille doivent être au maximum de 10%. Dans le cas de dépôts dans le réacteur TEL, nous obtenons des uniformités en densité et en taille sur plaque excellentes par rapport à la limite fixée. Pour les dépôts dans le réacteur Secteur, les uniformités en taille sont excellentes, celles en densité sont convenables (9%) pour les dépôts à partir de disilane et à partir de silane dilué dans l’azote.

Nous avons, ensuite, observé pour les dépôts dans le réacteur TEL, qu’une augmentation du débit en silane permet d’obtenir une meilleure uniformité sur charge en densité et en taille mais la densité diminue et la taille augmente.

La densité augmente jusqu’à une valeur de saturation de la nucléation à partir de laquelle elle reste constante avant coalescence lorsque la pression en silane augmente.

Une hausse du temps de dépôt améliore l’uniformité sur charge jusqu’à la coalescence.

Ce temps de dépôt a pu être augmenté jusqu’à 4 minutes lors de dépôts à plus basses températures (500°C) et plus forte pression (0,5 Torr). Ce nouveau jeu de conditions opératoires permettra certainement d’améliorer l’uniformité sur charge des nanoplots. Une telle étude serait à programmer à court terme.

L’ensemble de ces résultats a été aussi retrouvé pour les dépôts dans le réacteur Secteur à partir de silane dilué dans l’azote. De plus, les densités sont légèrement plus fortes que celles observées dans le réacteur TEL, et les rayons plus petits.

Pour les dépôts à partir de disilane, les densités obtenues sont légèrement plus fortes et les tailles plus petites que dans le réacteur TelApha.

Dans les réacteurs Secteur à partir de silane dilué l’azote, un optimum de densité à 1,3.1012 plots/cm2 a été atteint ; dans le TEL, il est de 9.1011 plots/cm2. A partir de ces valeurs, la coalescence opère.

Les études relatives aux caractérisations MET ont montré que cette technique offre une meilleure résolution que le MEB-FEG limité à 1 ou 2 nm. Une bonne corrélation a été cependant obtenue entre les résultats MET et MEB-FEG. Notons que de très fortes densités, de l’ordre de 7.1012 plots/cm2, ont pu être mesurées par MET.

Nous avons enfin montré que le passage des dépôts en deux étapes d’un four RPCVD monoplaque à un four tubulaire LPCVD multiplaques n’est pas trivial à mettre en œuvre. Une étude plus complète serait à effectuer afin de retrouver les résultats obtenus en four monoplaque et de pouvoir industrialiser ces dépôts.