Chapitre III- Circuits photoniques passifs en technologie SiGe à saut d’indice réalisés par procédé
2. Conception du jeu de masque
3.1. Détails de l’enchaînement des procédés technologiques
La fabrication des guides damascènes a été faite dans la salle blanche du CEA-Leti sur des wafers Si de 200 mm de diamètre. La fabrication des guides damascènes se fait en 18 étapes (Tableau IV-1) que nous allons détailler ici (certaines étapes ont été regroupées pour plus de clarté) :
1. Le substrat de départ est un wafer Si de 200 mm de diamètre non dopé.
2. Un dépôt d’oxyde de 250 nm est réalisé sous haute température (800°C) par oxydation sous atmosphère O2. Ce type d’oxyde est appelé HTO pour High Temperature Oxyde et servira de
masque dur.
3. Une résine photosensible est étalée par spin coating, c’est-à-dire par force centrifuge en faisant tourner le wafer. L’épaisseur de résine utilisée est de 2,5 µm. La résine est insolée par lumière UV (DUV : Deep UltraViolet) en utilisant le 1er niveau de masque, puis développée.
4. Le masque dur HTO est gravé par un procédé de gravure plasma. 5. Le silicium est gravé par DRIE sur 1,3 µm.
6. La résine est enlevée par un procédé de stripping.
10. Les étapes 3 à 7 sont répétées pour la réalisation de la deuxième série de guide. Pour cela le 2ème niveau de masque est utilisé et la gravure Si est faite sur 2,7 µm de profond.
11. Un nettoyage chimique de préparation est réalisé avant de faire le dépôt de Si0,6Ge0,4 de
3 µm d’épaisseur par procédé RP-CVD.
12. Le surplus de SiGe est enlevé par un CMP pour récupérer une surface plane. Le CMP s’arrête sur le masque dur SiO2.
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13. Le retrait du masque dur se fait par gravure en voie humide avec une solution de HF. 14. Enfin, un nettoyage de préparation de surface est réalisé avant l’encapsulation du circuit
par environ 10 µm de Si déposé par RP-CVD.
1. Substrat Si 200 mm
2. Dépôt HTO 250 nm
3. Etalement de la résine, insolation DUV et développement du 1er niveau de masque
4. Gravure SiO2 plasma
5. Gravure Si DRIE 1,3 µm
6. Stripping
7-10. Les étapes 3 à 6 sont répétées avec le 2ème niveau de masque et une gravure Si de
2,7 µm de profond.
11. Nettoyage puis épitaxie RP-CVD Si0,6Ge0,4 Substrat Si Substrat Si Substrat Si Substrat Si Substrat Si Substrat Si Substrat Si Substrat Si
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12. CMP avec arrêt sur SiO2
13. Gravure SiO2 par voie humide
14. Nettoyage et épitaxie Si par RP-CVD
Tableau IV-1 : Enchaînement des étapes technologiques pour la fabrication des guides damascènes.
3.2.Résultats de fabrication
L’enchaînement technologique qui vient d’être décrit est nouveau par rapport à la technologie standard de fabrication des guides déjà mise au point. De ce fait, des observations et mesures ont été faites après les étapes critiques afin de constater d’éventuelles dérives par rapport aux résultats escomptés. Nous nous proposons ici de résumer les principales observations et mesures faites durant la fabrication du lot.
3.2.1.Photolithographie des guides
La photolithographie des guides s’est correctement déroulée pour le 1er niveau de masque. En
revanche, les tranchées créées ont posé problème pour l’étalement de la résine pour le 2ème niveau.
La résine s’est retrouvée piégée dans les rainures et ne s’est pas étalée correctement sur l’ensemble de la plaque (Figure IV-4). La solution trouvée a été d’utiliser une résine plus épaisse et plus visqueuse pour la seconde photolithographie.
Figure IV-4 : Photos prises au microscope des défauts d’étalement de résine pour la seconde photolithographie a) en bord de guides et b) au milieu des guides.
3.2.2.Gravure silicium
Suite à la photolithographie, le masque dur HTO et les tranchées en silicium ont été gravés. L’état des tranchées a été vérifié par des observations de coupe au MEB (Figure IV-5). Tout d’abord, les
Substrat Si
Substrat Si
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flancs de gravure sont bien droits bien qu’une légère rugosité soit visible sur ceux-ci avec une striation verticale induite par le procédé de gravure (Figure IV-5a). Les dimensions, largeur et hauteur, des guides sont également respectées avec une profondeur de gravure d’environ 1,3 µm (Figure IV-5b). L’anisotropie de la gravure n’est pas parfaite avec un léger évasement au niveau de la base des guides. On notera également que le masque dur HTO est plus fin que ce qui était prévu, 173 nm au lieu de 250 nm. Lorsque le rapport d’aspect hauteur/largeur devient important, l’état des flancs se dégradent avec des aspérités et une rugosité plus importantes (Figure IV-5c).
Figure IV-5 : Photos MEB d’une coupe des guides damascènes après gravure silicium et stripping : a) Les flancs sont droits avec une striation verticale due au procédé de gravure ; b) la profondeur de gravure est respectée. On notera un léger évasement à la base du guide ; c) pour les rapports d’aspect plus agressifs,
les flancs semblent plus rugueux.
3.2.3.Epitaxie Si0,6Ge0,4 par jet moléculaire
Une des principales inconnues, sur la fabrication des guides en technologie damascène, est le rapport d’aspect hauteur/largeur maximal accessible. En effet, on ne sait pas comment la croissance de SiGe va se produire dans des cavités de formes diverses. Si la croissance se fait de façon isotrope sur toutes les parois de la tranchée, alors on ne pourra remplir des tranchées dont le rapport d’aspect hauteur/largeur est très supérieure à 1. Tout d’abord, nous avons pu constater que la croissance se fait correctement en fond des tranchées et ce, quel que soit la hauteur des guides (Figure IV-6). En revanche, des trous, appelés voids, apparaissent à partir d’un rapport d’aspect de l’ordre de 1 (Figure IV-6b). Cela est dû à une croissance de SiGe se faisant sur les arêtes et formant des bourrelets qui viennent obstruer la tranchée avant que celle-ci ne soit entièrement rempli. Au niveau des interfaces SiGe/Si, on constate une rugosité bien plus importante que précédemment notamment avec des profils de flancs en « dent de scie » (Figure IV-6c). Ce profil est d’autant plus marqué pour des rapports d’aspect supérieurs à 1 (Figure IV-6d). Il a été identifié que c’est durant l’étape d’épitaxie que les flancs prennent ce profil. On peut supposer que la gravure silicium des tranchées provoque une rugosité trop importante pour que la croissance de SiGe se fasse correctement. Ici, le profil en dent de scie est plus marqué pour les rapports d’aspect inférieures à 1 et nous avons pu constater, que c’est sur ces tranchées que la gravure avait laissé les aspérités les plus importantes.
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Figure IV-6 : Photos MEB d’une coupe des guides damascènes après épitaxie du SiGe pour différents rapports d’aspect : a) rapport d’aspect de 0,74, aucun void n’est visible ; b) le rapport d’aspect devient supérieur à 1 et des voids se forment ; c) un zoom sur les flancs permettent de constater une interface SiGe/Si en dent de scie ; d) sur les rapports d’aspects les plus importants, les voids composent la majorité
du guide et les flancs sont encore plus rugueux.
3.2.4.Planarisation et encapsulation
Suite au remplissage des tranchées, il est nécessaire de retirer l’excédent de SiGe présent sur l’ensemble de la plaque. Cela est réalisé avec une étape de CMP qui est arrêté par le masque dur en SiO2. Suite à cela, le masque dur est retiré par voie humide et l’on procède à l’encapsulation du
circuit avec une épitaxie Si. Des coupes MEB ont été réalisées une fois ces procédés réalisés, soit à la fin du cycle de fabrication des puces (Figure IV-7).
On voit apparaître des creux sur les bords des guides qui ne correspondent pas aux observations de la Figure IV-6. A partir d’un rapport d’aspect proche de 1, on peut aussi observer que des voids sont formés par du Si dans le cœur en SiGe (Figure IV-7c, d). Il est délicat de conclure sur l’origine de ces creux car ce n’est pas du dishing observé souvent avec le CMP. Il s’agirait plutôt d’un défaut de croissance de SiGe qui a l’air d’avoir été déposé en deux fois et de manière insuffisante sur cet échantillon.
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Figure IV-7 : Coupes MEB prises après fabrication complète des puces d’essai de la technologie damascène. Les photos sont classées par rapport d’aspect croissant et permettent de voir l’apparition de
défauts avec l’augmentation de celui-ci.
3.3.Conclusion
La fabrication de guides SiGe à saut d’indice en technologie damascène était une première dans la salle blanche du CEA-Leti. Ce premier circuit a permis de mettre en lumière certaines limitations technologiques de ce type de procédé. Tout d’abord, l’étalement de résine sur une plaque comportant des motifs gravés peut poser problème et nécessite d’adapter le procédé, avec une résine plus épaisse et visqueuse. Cette difficulté contournée, l’épitaxie SiGe remplit correctement les cavités à condition d’avoir une épaisseur de croissance suffisante. Il reste donc un travail autour de l’optimisation des procédés de gravure silicium et d’épitaxie SiGe pour améliorer la qualité des interfaces. Le procédé damascène comporte une réelle limitation dans les rapports d’aspect atteignables pour les guides optiques. Il est impossible de réaliser des guides avec un rapport hauteur/largeur s’approchant de 1 ou le dépassant. Ainsi, des guides carrés ou slot ne sont pas faisables avec ce type de technologie, ce qui limite les applications de la plateforme.