5.2 Variation de la pression de dépôt
5.2.2 Etude par microscopie électronique en transmission
Trois couches de 60 nm d’épaisseurs ont été déposées à 4, 8 et 14 μbar sur wafer de silicium. La microstructure de la couche déposée à 12 μbar s’étant avérée très similaire de celle déposée à 14 μbar, le choix s’est porté sur la valeur de pression maximale de 14 μbar dans cette
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étude. Des lames minces ont été préparées FIB selon le protocole décrit en 2.4 avant d’être observées par STEM HAADF à 100 kV (Figure 100).
Figure 100 : Images acquises en STEM HAADF à 100 kV de lames minces préparées par FIB à partir de couches de nitrure de silicium de 60 nm d’épaisseur déposées à pression totale variable :
a. dépôt à 4 μbar. b. dépôt à 8 μbar. c. dépôt à 14 μbar.
Les Figure 100b et c présentent une structure colonnaire sur une majorité de l’épaisseur de la couche et une zone plus homogène proche du substrat. L’épaisseur de cette zone homogène, mesurée à environ 10 nm dans le cas de la couche déposée à 14 μbar, semble de même épaisseur dans le cas du dépôt à 8 μbar. Le diamètre des pores semble qualitativement augmenter avec l’épaisseur de couche. L’analyse des cartes d’épaisseur projetée permettra de quantifier l’évolution du diamètre des pores dans l’épaisseur pour ces deux valeurs de pression. Des différences sont également relevées dans la zone homogène proche du substrat. La densité de pores dans cette zone semble en effet plus élevée à 8 μbar qu’à 14 μbar de pression totale.
La comparaison des images acquises en STEM HAADF (Figure 100) montre des divergences de morphologie de pores entre 4 μbar et les deux autres valeurs de pression.
La comparaison des Figure 101b et c montre une rupture de pente moins marqué dans le profil d’intensité en fonction de la profondeur dans le cas de la couche déposée à 8 μbar que pour celle déposée à 14 μbar, confirmant le caractère plus homogène du dépôt à 8 μbar par rapport à celui réalisé à 14 μbar.
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Figure 101 : Profils d’intégration représentés en fonction de la profondeur (surface à gauche et substrat à droite) pour différentes valeurs de pression de dépôt : a. 4 μbar. b. 8 μbar. c. 14 μbar.La structure de la couche déposée à 4 μbar présente un contraste plus faible sur l’observation HAADF donnée dans la Figure 100a. Des inhomogénéités (de formes ponctuelles) sont toutefois visibles dans les régions proches du substrat ou de la surface. La région proche du substrat présentant ces inhomogénéités est visible sur le profil d’intensité intégrée sur la Figure 101a. L’épaisseur de ces régions de porosité plus hétérogène fait environ 9 nm d’épaisseur. La densité semble donc décroître dans cette région proche du substrat à 4 μbar.
Afin de quantifier le diamètre des pores longitudinaux et d’investiguer l’impact d’une variation de pression sur la distribution en diamètres de ces pores, des observations en vue de face ont été réalisées par STEM HAADF à 100 kV sur des couches de 30 nm d’épaisseur. Cette valeur d’épaisseur a été choisie afin de comparer les observations au cas de la couche « représentative » de même épaisseur. Un exemple de ces observations pour chaque pression est donné à la Figure 102. Une barre d’échelle compare les variations relatives d’intensité au sein de chaque image en unités arbitraires.
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Figure 102 : Images acquises en STEM HAADF à 100 kV de couches de nitrure de silicium de 30 nm d’épaisseur déposées à pression totale variable sur membrane : a. dépôt à 4 μbar. b. dépôt à 8
μbar. c. dépôt à 14 μbar. L’échelle en intensité est intégrée à chaque image.
Le diamètre des domaines délimités par les pores semblent légèrement diminuer en augmentant la pression de dépôt. En effet, le diamètre moyen de ces domaines est de l’ordre de 12 nm, 10 nm et 7 nm pour les couches déposées à 4 μbar, 8 μbar et 14 μbar respectivement. Par ailleurs, la taille des pores correspondant aux teintes de gris les plus foncés (plus grandes longueurs projetées) semble qualitativement semblable entre ces trois valeurs de pression différentes.
Les observations ont été réalisées dans des conditions semblables. Toutefois, la projection en vue de face donne un meilleur contraste pour les valeurs de 8 et 14 μbar que pour la valeur de 4 μbar. Cela peut s’expliquer par la faible longueur projetée des objets imagés dans le cas de la plus faible valeur de pression. Le contraste a été ajusté afin de comparer qualitativement la taille des pores dans chaque image. L’analyse quantitative, analogue de celle réalisée à 14 μbar dans le paragraphe 5.1, est réalisée à partir des cartes d’épaisseur projetée et permet de comparer des valeurs quantitatives de longueurs de vide projeté et de diamètre de pores. Cette analyse est présentée en Figure 103. Les histogrammes de diamètre de pores sont représentés pour une gamme donnée de longueur de vide projetée. La limite inférieure de cette gamme de longueur projetée est fixée par un seuil en niveau de gris permettant une bonne détection des pores. La limite supérieure est déterminée par la plus grande portion verticale de pore comprise dans l’image analysée.
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Figure 103 : Histogrammes de diamètres de pores normalisés tracés pour plusieurs longueurs de vide projeté pour trois pressions de dépôt de couche de SiNx :Al de 30 nm d’épaisseur. a. 4 μbar. b.
8 μbar. c 14 μbar.
La longueur de vide projetée maximale détectée augmente avec la pression de dépôt, surtout entre 8 et 14 μbar, ce qui traduit une plus grande population de pores verticaux plus longs. Pour chaque valeur de pression de dépôt, ces histogrammes de diamètres de pores semblent centrés sur des faibles valeurs de diamètre. Seuls quelques pores visibles à plus haute pression présentent un diamètre important qui augmente en se déplaçant du substrat vers la surface.
Afin de comparer l’évolution de la densité totale de pores dans l’épaisseur en fonction de la pression de dépôt, la densité de pores détectés a été tracée en fonction de la longueur de vide projetée pour les trois valeurs de pression de 4, 8 et 14 μbar (Figure 104a). L’augmentation de la longueur de vide projetée est confirmée dans cette représentation, avec le décalage des courbes vers des valeurs plus importantes. Par ailleurs, la densité de pore détectés dans la couche augmente fortement pour une longueur de vide projetée donnée (ou une longueur de pore donnée dans le cas d’un pore unique dans l’épaisseur) dans la gamme étudiée.
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Figure 104 : a. Evolution de la densité de pores détectés en fonction de la longueur de vide projetée pour les trois valeurs de pression de dépôt de 4, 8 et 14 μbar. b. Tracé du diamètre moyen (trait
plein) et de la longueur de vide projetée maximale détectée (trait pointillé) en fonction de la pression de dépôt.
Il semble donc qu’une couche déposée à 4 μbar admette une grande majorité de pores de longueurs projetées inférieures ou égales à 2.5 nm. Pour les deux autres pressions (8 et 14 μbar), la majorité des pores correspond à des longueurs projetées inférieures à 4 et 7 nm respectivement.
La Figure 104b montre l’évolution du diamètre moyen des pores et de la longueur de vide projetée maximale pour les trois valeurs de pression. Le diamètre moyen varie peu entre les couches déposées à 4 et 8 μbar de pression totale, tandis que la couche déposée à 14 μbar se distingue avec une moyenne nettement supérieure (de l’ordre de 15%). La longueur maximale de vide détectée augmente également avec la pression de dépôt en passant de 4.5 à 8.5 nm.
La pression de dépôt modifie donc fortement la microstructure de la couche en agissant sur plusieurs aspects de la porosité observée. Le dépôt de la couche à 4 μbar présente un contraste homogène en HAADF avec des pores de faibles diamètres et de faibles portions verticales maximales (0.59 nm et 4.5 nm respectivement). Les dépôts à 8 et 14 μbar montrent une séparation en une zone de contraste homogène et une zone de morphologie colonnaire. La frontière entre ces deux zones est moins visible dans le cas du dépôt à 8 μbar que pour celui réalisé à 14 μbar. La longueur maximale des portions verticales augmente de 5.5 nm à 8.5 nm en passant de 8 à 14 μbar. Le diamètre moyen des pores augmente également de 0.59 à 0.68 nm. Une variation de la
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répartition des pores est à aussi à noter avec une diminution du diamètre moyen des domaines délimités par les pores de 12 à 7 nm en augmentant la pression de 4 à 14 μbar.