Dépôt du diélectrique sous test et réalisation des vias

a. Différentes voies de dépôt

Les différentes techniques de dépôt peuvent être classées en deux catégories : soit physiques,

soit chimiques. Pour les premières, il s’agit d’un transfert du matériau ou des éléments simples à

déposer vers le substrat. Il s’agit de techniques dites « PVD » pour « Physical Vapor Deposition ».

On rencontre l’évaporation sous vide, l’épitaxie par jets moléculaires, la pulvérisation cathodique et

l’ion plating. Elles se déroulent en trois étapes : sublimation de la cible de même composition que

le dépôt, transport en phase gazeuse avec ou sans collisions et condensation des espèces sur le

substrat. Les secondes techniques reposent sur une réaction chimique entre des molécules

(appelées précurseurs) contenant les éléments simples du matériau à déposer. On appelle ces

techniques « CVD » pour « Chemical Vapor Deposition ». Elles se déroulent également en trois

étapes : introduction des précurseurs chimiques, transport en phase liquide ou gazeuse avec

possibilité d’introduire un gaz réactif et décomposition ou condensation des espèces avec une

réaction chimique. On rencontre tous les types de CVD assistées ou non (par plasma [PECVD],

par laser [LECVD], à basse pression [LPCVD], avec des précurseurs organométalliques

[MOCVD],…) et les techniques de dépôts monocouche atomique par monocouche atomique

(ALD pour « Atomic Layer Deposition »).

Cette thèse ne vise pas à mettre au point le dépôt d’un diélectrique, travail qui est suffisant

pour une thèse complète. L’idée est d’avoir mis en place un outil permettant de déposer un

diélectrique en couche de quelques dizaines de nanomètres, dont le dépôt est assez mature, sur nos

échantillons afin d’en effectuer la caractérisation très large bande. L’échantillon obtenu après ce

dépôt est schématisé sur la Figure 2-34.

SiO₂ Diélectrique Al métal 1 Substrat SiO₂ Diélectrique Al métal 1 Substrat

Figure 2-34 : Dépôt du diélectrique à caractériser sur la plaque précédemment réalisée.

Trois diélectriques différents seront caractérisés via notre procédure : le nitrure de Silicium

Si

N

, le nitrure d’Aluminium AlN et l’oxyde de Titane dopé au Tantale Ti

Ta

O

, déposés

respectivement par CVD, PVD Magnétron DC et PVD.

b. Paramètres pour la photolithographie

Une fois ce diélectrique déposé, il faut réaliser les vias permettant de contacter l’électrode

inférieure. Une photolithographie avec un alignement sur le niveau inférieur suivi d’une gravure

IBE permet de réaliser cette étape. Elle est également réalisée sur un équipement MJB4 de chez

SUSS MicroTec couplé à une source lumineuse UV de longueur d’onde 365 nm.

Le procédé de photolithographie diffère de celui des niveaux métalliques par le fait que la

résine utilisée est négative (la résine AZ5214E, réversible, est utilisée) : la solubilité de la résine

insolée augmente et donc les zones insolées restent lors du développement. Au final, l’empilement

présenté en Figure 2-35 est obtenu en fin d’étape de photolithographie.

SiO₂ Diélectrique Al métal 1 Substrat Résine (-) SiO₂ Diélectrique Al métal 1 Substrat Résine (-)

Figure 2-35 : Dépôt de la résine négative après étalement, insolation et développement.

Les zones de résine insolées étant moins solubles dans le développeur, une

image négative du masque 2 est formée sur l'échantillon.

Les paramètres et la chronologie de la photolithographie pour le niveau via sont donnés

ci-après. Une fois cette étape faite, l’échantillon et le diélectrique sont prêts à être gravés.

• Etalement de la résine à une vitesse de 4000 ou 5000 trs.min

pendant 1 min

(suivant l’épaisseur de diélectrique déposée, la vitesse d’étalement fixant

l’épaisseur de résine),

• Premier recuit à 110 °C pendant 50 s,

• Première insolation avec le masque pendant 5 s,

• Second recuit à 120 °C pendant 120 s,

• Seconde insolation sans masque pendant 17 s,

• Développement à l’AZdvp pendant environ 40 à 45 s.

c. Gravure IBE et suivi SIMS

La gravure du diélectrique déposé afin de contacter l’électrode inférieure est la partie la plus

délicate du procédé. Comme le matériau à caractériser diffère pour chaque échantillon et comme

leur gravure est généralement peu ou pas du tout mâture, il faut mettre au point pour chaque

permettant la gravure. La solution la plus simple consiste en une gravure ionique de type « Ion

Beam Etching » qui permet de graver à peu près tout. L’inconvénient de ce procédé est qu’il ne

permet pas de réaliser des motifs fins, les dimensions devant être relâchées. Ce désavantage ne

nous gêne pas dans la mesure où les vias les plus petits, nécessaires pour contacter l’électrode

inférieure, sont au niveau des motifs de court-circuit pour le de-embedding et ils ont des

dimensions de 10 µm x 10 µm, ce qui est suffisant pour l’appareil. L’empilement souhaité après

cette étape est schématisé dans la Figure 2-36.

SiO₂ Diélectrique Al métal 1 Substrat SiO₂ Diélectrique Al métal 1 Substrat

Figure 2-36 : Niveau diélectrique fini et vias réalisés grâce à une technique de gravure par

faisceau d'ions.

La gravure par IBE s’effectue dans une enceinte préalablement mise sous vide à 2.10

Torr.

Les paramètres de gravure sur lesquels nous pouvons jouer au niveau de l’optimisation du procédé

sont la pression d’argon dans l’enceinte et la puissance RF. Il s’agit alors d’un compromis entre

vitesse de gravure et uniformité. Ce développement doit être réinitialisé pour chaque nouveau

matériau à graver. La fabrication d’échantillons témoins est nécessaire.

L’équipement permet également de détecter la fin de la gravure par un suivi SIMS. Suivant la

composition de la couche présente sous le diélectrique, on peut suivre l’évolution des différentes

espèces extraites de l’échantillon et détecter la fin de la gravure de la couche de diélectrique et le

début de la gravure de la couche métallique inférieure. La profondeur de gravure est ensuite

vérifiée par une mesure au profilomètre qui permet de calculer ensuite la vitesse de gravure.

Des exemples de résultats obtenus sont montrés dans les deux figures qui suivent. Il s’agit

d’un échantillon comportant 100 nm de nitrure d’aluminium (AlN) déposé sur une couche de

100 nm de molybdène (Mo). La couche à graver étant l’AlN.

Figure 2-37 : Second niveau d’un motif

SHORT réalisé sur un échantillon

comprenant 100 nm d'AlN mais sans motifs

au niveau métallique inférieur (il y a un plan

de masse pleine plaque).

Figure 2-38 : Zoom sur le via de

10 µm x 10 µm du motif SHORT ci-contre.

Le via a été bien gravé lors de la procédure

IBE, le contact sera bien réalisé.

Le diélectrique est ainsi gravé et les vias permettant la connexion de l’électrode inférieure

sont réalisés. Cette étape nécessite un développement préalable pour définir les paramètres de la

gravure IBE (puissance RF et pression d‘argon qui régissent les caractéristiques du plasma) en

faisant un compromis entre vitesse de gravure et uniformité. Un échantillon témoin

supplémentaire doit donc être réalisé.