Impact de la pression d’Ar sur la phase de W d´epos´ee

Suivant les quatre variantes de PAr pr´esent´ees dans la partie 5.2 pr´ec´edente, les couches de W

des structures 5-1 et 5-2 ont ´et´e caract´eris´ees par DRX en scan θ-2θ dans la plage angulaire allant de 32˚ `a 42˚ en incidence rasante (Ω = 1˚) [52]. Les diff´erents pics des phases α–W et β–W ont ´et´e respectivement index´es `a l’aide des fiches ICDD 00-004-0806 et 00-047-1319. La figure 5.10 montre les spectres DRX des couches de W de la structure 5-2 en fonction des diff´erentes PAr appliqu´ees au

moment du d´epˆot. Les mˆemes types de spectre et d’´evolution sont obtenus pour les couches moins ´epaisses de la structure 5-1 (spectres non montr´es ici).

En accord avec la litt´erature, les plus faibles pressions de gaz de travail conduisent au d´epˆot de la phase α–W la plus stable. Les PAr sup´erieures ou ´egales `a 20 mTorr conduisent `a la formation

de la phase m´etastable β–W [30, 31]. Nous pouvons ´egalement remarquer que plus PAr augmente,

plus l’intensit´e des pics de diffraction diminue et leur largeur `a mi-hauteur augmente. Nous pouvons attribuer cet effet `a une perte progressive de la cristallinit´e de la couche. La pression de gaz de travail est donc bien un param`etre conduisant au contrˆole de la phase d´epos´ee.

Nous allons maintenant v´erifier si les diff´erentes propri´et´es de ces deux phases en termes de contraintes, densit´e, r´esistivit´e, rugosit´e et composition ´el´ementaire sont en accord avec les donn´ees extraites de la litt´erature (table 5.1). La figure 5.11 montre l’´evolution de la contrainte r´esiduelle des couches des structures 5-1 et 5-2 compar´ees aux valeurs de la litt´erature publi´ees par Shen et al. et obtenues sur des empilements identiques `a notre structure 5-2 [31]. La tendance suivie par la contrainte r´esiduelle mesur´ee sur les couches de W de la structure 5-2 est proche de celle de la litt´erature avec une forte contrainte en compression pour les faibles PAr puis une contrainte r´esiduelle quasi nulle avec

Fig. 5.10 – Spectres DRX θ-2θ des couches de W de la structure 5-2 obtenues pour diverses pressions d’Ar utilis´ees durant le d´epˆot par la technique PVD

pas rep´er´e dans nos structures. Elle peut ´eventuellement exister entre les PAr comprises entre 2 et

20 mTorr ; mais nous n’avons r´ealis´e aucun point dans cette gamme. Le r´esultat surprenant de cette analyse est le point `a faible PAr de la structure 5-1 montrant une contrainte en tension. De r´ecentes

´etudes ont par ailleurs montr´e que des couches de 5 et 10 nm de W pouvaient ˆetre en tension mˆeme si elles ´etaient d´epos´ees `a tr`es faible pression d’Ar (avec la pr´esence de la phase α–W identifi´ee par DRX) [8]. Ceci serait dˆu `a l’existence d’une sous-couche tensile proche de l’interface avec le Si dans tous les d´epˆots de W obtenus par la m´ethode PVD [53].

La densit´e et l’´epaisseur des couches de la structure 5-1 ont ´et´e estim´ees par la technique XRR. En effet, la plus forte ´epaisseur de la structure 5-2 n’est pas adapt´ee `a ce type de mesure : elle n’offre que peu de franges et ne permet pas un fit des donn´ees de bonne qualit´e. Un mod`ele bi-couche W-WOx a

´et´e utilis´e pour toutes les variantes ´etudi´ees. La figure 5.12 montre les ´epaisseurs en ordonn´ee des deux mat´eriaux constituants les couches. Les densit´es des deux mat´eriaux sont report´ees et sont exprim´ees en g.cm-3_{. La densit´e de W semble diminuer avec l’augmentation de P}

Ar ce qui confirme la pr´esence de

la phase β–W poreuse et fibreuse pour les PAr sup´erieures ou ´egales `a 20 mTorr. Bien que la densit´e

th´eorique du W soit de 19,25 g.cm-3_{, la litt´erature rapporte des densit´es pour la phase β–W comprises}

entre 17 et 12 g.cm-3 _{en bon accord avec nos observations [54]. La nature de l’oxyde natif WO}

x produit

lors de l’exposition des surfaces `a l’atmosph`ere de la salle blanche montre des ´epaisseurs et des densit´es diff´erentes sans doute li´ees `a la nature de la couche de W sous-jacente.

Bien que nous ayons d´ej`a d´evelopp´e l’hypoth`ese « cin´etique des atomes incidents » expliquant les diff´erences de densit´es et de contraintes des couches de W d´epos´ees par la technique PVD [30, 31, 33], nous devons ´egalement consid´er´e l’hypoth`ese de la contamination des d´epˆots. Effectivement, lorsque la pression dans la chambre augmente, le nombre de collisions avec les parois du bˆati est lui-aussi augment´e. Si des contaminants ont ´et´e pr´ealablement adsorb´es sur les parois, ils peuvent ˆetre re-d´epos´es dans la couche et conduire `a des pertes de densit´es, `a des contraintes tensiles et `a la stabilisation de la phase β–W habituellement m´etastable [33, 55]. Pour v´erifier cette hypoth`ese, des analyses ToF-SIMS ont ´et´e men´ees sur les couches de W de la structure 5-2. Seules les deux variantes de

Fig. 5.11 – Mesures de contrainte r´esiduelle de couches par la technique de mesure du rayon de courbure du substrat en fonction de la pression d’Ar utilis´ee au cours du d´epˆot par la technique PVD. Les donn´ees des structures 5-1 et 5-2 sont report´ees ainsi que les donn´ees de la litt´erature issues de [31]

Fig. 5.12 – Mesure d’´epaisseurs et de densit´es des quatre variantes de couches de W d´epos´ees selon diff´erentes pression d’Ar. Les densit´es sont not´ees en surbrillance sur les diff´erents mat´eriaux concern´es et exprim´ees en g.cm-3_{. Les densit´es ρ th´eoriques de W, WO}

2 et WO3sont respectivement

de 19,25 g.cm-3

, 10,82 g.cm-3

et 7,16 g.cm-3

PAr extrˆemes ont ´et´e test´ees : 2 et 60 mTorr. Les profils obtenus en O, H, OH, C, Cl, F, Si et W

sont pr´esent´es en figure 5.13. La couche d´epos´ee sous une pression PAr de 2 mTorr ne comporte que

tr`es peu d’impuret´es alors que la couche d´epos´ee `a forte PAr comporte de fortes concentrations de

contaminants carbon´es, fluor´es et carbon´es. D’un fa¸con surprenante, cette derni`ere est ´egalement tr`es riche en O et en groupes OH. Par analogie avec les ph´enom`enes se d´eroulant dans les couches de SiO<sub>2</sub> d´epos´ees `a basse temp´erature [56], nous pouvons penser que la couche « se charge » en eau du

fait de sa faible densit´e. Ces analyses SIMS confirment donc l’hypoth`ese de Materne et al. relative au rˆole de la contamination dans l’obtention des couches d´epos´ees `a fortes pressions de gaz de travail [55].

(a) Structure 5-2 - 2 mTorr

(b) Structure 5-2 - 60 mTorr

Fig. 5.13 – Profils ToF-SIMS des couches de W de la structure 5-2 obtenues sous deux diff´erentes pressions d’Ar par la technique PVD

La table 5.4 pr´esente les r´esistivit´es ρf obtenues sur une structure proche de la structure 5-1

comportant une couche de 10 nm de W d´epos´ee sur une couche de SiO₂ de 500 nm obtenue par voie thermique. Les valeurs obtenues par la technique dite « quatre pointes » sont repr´esentatives des couches de W de la structure 5-1. Comme attendu, la r´esistivit´e de la couche augmente avec la pression d’Ar et gagne deux ordres de grandeurs au passage de la phase α–W `a β–W entre 2 et 20 mTorr. Ces mesures ´etant r´ealis´ees plusieurs jours apr`es d´epˆot, l’exposition `a l’atmosph`ere a pu provoquer l’oxydation et/ou le « chargement » en eau des couches. Ceci pourrait notamment expliquer la tr`es forte valeur associ´ee `a la structure la plus poreuse d´epos´ee sous une pression d’Ar de 60 mTorr mais aussi valider les valeurs mesur´ees pour la phase β–W un ordre de grandeur sup´erieures aux valeurs de la litt´erature [15].

PAr ρs

2 mTorr 25,3 µΩ.cm

20 mTorr 3,1.103_µΩ.cm

30 mTorr 4,7.103_µΩ.cm

60 mTorr 1,8.106_µΩ.cm

Tab. 5.4 – Valeurs de r´esistivit´e des couches de W d´epos´ees par la technique PVD sous diff´erentes pressions d’Ar

Puisque nous visons une application de collage direct de ces couches, la rugosit´e des surfaces de la structure 5-1 a ´et´e estim´ee par AFM sur des scans de taille 1 x 1 µm2_{. La figure 5.14 montre les}

diff´erents scans et rapporte les valeurs statistiques de RMS et de PV associ´ees `a chacune de ces surfaces. Toutes les valeurs de RMS sont strictements inf´erieures `a 0,6 nm, ce qui garantit le collage direct des surfaces des couches de W `a RT et sous atmosph`ere ambiante `a la vue des r´esultats du chapitre 2. Deux morphologies diff´erentes peuvent ˆetre distingu´ees : une surface homog`ene compos´ees de nanograins dans le cas des couches obtenues pour les pressions PAr de 20, 30 et 60 mTorr et un d´epˆot bisaph´e avec

la pr´esence de cristallites en relief dans le cas de la couche d´epos´ee `a 2 mTorr. Ces morphologies sont en accord avec celles observ´ees pour de faibles ´epaisseurs d´epos´ees dans la litt´erature pour chacune des phases α–W et β–W [53]. (a) Structure 4-1 PAr = 2 mTorr (b) Structure 4-1 PAr = 20 mTorr (c) Structure 4-1 PAr = 30 mTorr (d) Structure 4-1 PAr = 60 mTorr

Fig. 5.14 – Scans AFM et valeurs statistiques des topologies de surfaces de couches de W d´epos´ees par la technique PVD sous diff´erentes pressions d’Ar

Par l’utilisation de diff´erents moyens de caract´erisation, nous avons d´etermin´e diff´erents points de proc´ed´e permettant de d´eposer la phase α–W ou β–W en jouant sur la pression d’Ar au moment du d´epˆot par la technique PVD. Nous avons ´egalement v´erifier de nombreuses propri´et´es relatives `a chacune de ces deux phases en termes de contraintes, densit´e, r´esistivit´e et morphologie. Nous allons maintenant ´etudier le comportement de couches de W d´epos´ees `a des pressions PAr de 2 et 30 mTorr