L'influence de l'épaisseur

Dans ce paragraphe, nous nous intéressons à l'évolution des contraintes en fonction de l'épaisseur pour les films de nitrure déposés en plasma azote+silane, à 1500 W et RN = 19. Selon Thornton et Hoffman, la valeur des contraintes mesurées peut être séparée en deux composantes : une composante thermique (σth) et une composante volumique ou intrinsèque (σvol) [THORNTON].

Les contraintes thermiques proviennent de la différence de dilatation thermique entre le substrat et le film. Pour un film mince déposé sur un substrat épais, la composante thermique de la contrainte peut être évaluée par la formule suivante :

σ_th ≈ Ef

1− ν_f

(

)

(

)

où T et Tdep sont respectivement les températures du substrat lors de la mesure et lors du dépôt, Ef et νf sont respectivement le module d'Young et le coefficient de Poisson du film, et où αs et αf sont les coefficients de dilatation respectifs du substrat et du film. Retajczyk et Sinha donnent les valeurs des constantes élastiques des films de nitrures de silicium dans le cas

Tableau 4-6 Coefficients élastiques des films de nitrure de silicium LPCVD et

PECVD RF, d'après [RETAJCZYK].

LPCVD PECVD RF αf (°C-1) 1,6×10-6 1,5×10-6 E_f 1− ν_f (Pa) 3,7×10 11 _1,1×1011

des dépôts LPCVD et PECVD RF. Ces valeurs sont reportées dans le tableau 4-6. Les coefficients de dilatation thermique des deux nitrures précédents sont très proches. Cependant, la valeur plus élevée du rapport Ef

1− ν_f pour le nitrure LPCVD indique que celui- ci est moins flexible que le nitrure PECVD RF. Les films de nitrure DECR ayant des propriétés physiques (densité, contamination, ...) plus proche du nitrure LPCVD que les films PECVD RF, il semble raisonnable de penser que les propriétés élastiques des films DECR sont comprises entre celles des deux autres types de SiNx. On retiendra donc pour la suite de cette étude :

161 E_f

1− ν_f ≈ 2,4×10 11

Pa . (4-6)

Par ailleurs, pour le silicium (100), αs vaut 3,2×10-6 °C-1 [RETAJCZYK]. Dans notre cas, la température de mesure est de 20°C et celle de dépôt du nitrure d'environ 120°C [DURANDET]. Pour ces valeurs, la composante thermique de la contrainte est en compression, de l'ordre de - 40 MPa. Elle est indépendante de l'épaisseur du film déposé.

Les contraintes volumiques sont quant à elle liées au procédé de formation du film. Dans notre cas, les contraintes en compression sont principalement créées par "martelage" du film par les ions lors du dépôt (effet "peening") [THORNTON]. Nous pouvons remarquer sur la figure 4-14 (paragraphe précédent) que les contraintes en compression augmentent lorsque l'épaisseur du film augmente ; elle passent de -1000 MPa pour un film de 30 nm à -1500 MPa pour un film de 74 nm. Ce résultat semble indiquer une variation de la composante volumique σvol en fonction de l'épaisseur déposée, ce qui est surprenant étant donné que les propriétés physico-chimiques du film ne varient pas dans cette gamme d'épaisseur (§ 1.1.1). Cependant, une autre explication peut être donnée si l'on suppose l'existence d'une couche d'interface d'épaisseur ei ayant des propriétés élastiques différentes du volume du nitrure. La déformation

-15 -10 -5 0 Δ F (µm) 0 20 40 60 80 Epaisseur (nm) Si recouvert de 10 nm de SiN_x non contraint Si

Substrat utilisˇ

Figure 4-16 Différence de flèche ΔF induite par le dépôt de nitrure de silicium en plasma

azote+silane à 1500 W et RN = 19 sur silicium ou sur silicium recouvert de 10 nm de SiNx non contraint. Dans ce dernier cas, l'épaisseur reportée en abscisse ne tient pas compte des 10 nm de SiNx non contraint.

subie par le substrat est alors la somme des déformations induites par la couche d'interface et par le volume du film. Il est pratique de quantifier cette déformation par la différence de flèche avant et après dépôt (ΔF). Celle-ci représente le déplacement du centre du substrat sous l'effet du dépôt et est donnée par [STADTMUELLER] :

ΔF = C [ (σth+σvol) ef + (σi-σth-σvol) ei ] (4-7) où σi représente les contraintes induites par la couche d'interface. Sur la figure 4-16, nous avons représenté l'évolution de ΔF en fonction de ef pour les films déposés en plasma azote+silane à 1500 W et RN = 19. Nous pouvons remarquer que ΔF suit effectivement une loi linéaire en fonction de ef et que, si on la prolonge, cette droite ne passe pas par zéro. La relation 4-7 décrit donc de manière satisfaisante les déformations induites par le dépôt de nitrure de silicium dans ces conditions. Afin de mettre en évidence l'existence d'une couche d'interface induisant des contraintes différentes de celles du volume, nous avons déposé les mêmes films que précédemment sur une couche de 10 nm de nitrure non contraint (plasma azote+silane, 800 W et RN = 4). Les différences de flèches mesurées sur ces échantillons sont inférieures à celles mesurées lorsque le film est déposé directement sur silicium, quelle que soit l'épaisseur du film (figure 4-16). Ce résultat montre qu'il existe effectivement une

couche à l'interface SiNx/Si qui induit des contraintes différentes de celles induites par le

volume du nitrure.

Pour les films déposés en plasma DECR azote+silane et ammoniac+silane, nous avons trouvé une bonne corrélation entre les contraintes en compression induites par le dépôt et la densité du film. Les films de faible densité (< 2,8 g/cm3) sont très peu contraints (|σ| ≤ 200 MPa) alors que les films denses (≥ 2,8 g/cm3) présentent de fortes contraintes en compression (|σ| > 500 MPa). De plus, ces contraintes peuvent être suffisamment élevées pour entraîner un phénomène de plissures du film du nitrure tel que celui que nous avons observé avec un dépôt de SiNx très contraint sur InGaAs. Il nous a semblé nécessaire, pour la suite de notre étude, de définir deux points de fonctionnement permettant de déposer soit un film de bonne qualité diélectrique mais fortement contraint, soit un film peu contraint mais possédant de moins bonnes propriétés diélectriques. Dans ce dernier cas, nous avons montré que les contraintes en compression augmentaient avec le temps de stockage et que cette évolution était vraisemblablement due à la formation d'une couche d'oxynitrure en surface de l'échantillon. Pour le premier point de fonctionnement, les contraintes sont stables en fonction du temps de stockage. Dans ces conditions, une étude en fonction de l'épaisseur nous a permis de montrer l'existence d'une couche à l'interface SiNx/Si qui induit des contraintes différentes de celles induites par le volume du nitrure.

163

Avant d'étudier l'influence d'un traitement de surface avant dépôt sur le substrat d'InP (§ 2.3), nous avons jugé utile de présenter les différents défauts électriques présents dans le nitrure (§ 2.1) et à l'interface SiNx/Si (§ 2.2). Dans un premier temps, nous nous sommes limités au cas des dépôts réalisés à RN = 19 (le premier point de fonctionnement défini au paragraphe précédent). En effet, dans le cas des films déposés à RN = 4, les courants de fuite dus à la faible valeur du champ critique (tableau 4-1) empêchent toute exploitation des caractéristiques C(V).