CHAPITRE III : DEVELOPPEMENT D’UN PROCEDE DE GRAVURE A FORT
V.2 Impact de l’azote et de l’oxygène dans les procédés de gravures chlorées pour la réalisation de
V.2.2 Influence de l’azote sur les flancs de gravure
Dans la filière GaAs, il a été démontré que l’ajout d’azote en quantité suffisante dans une gravure chlorée à base de BCl3 permet la protection des flancs de gravure [47]. Nous avons
étudié le rôle de l’azote dans la passivation des parois des motifs en faisant varier la quantité d’azote dans le procédé de base.
Tout en travaillant à un flux total constant de 90 sccm, nous modifions le ratio Flux N2/Flux Total jusqu’à ce que celui-ci atteigne la valeur de 0.5. Expérimentalement, ce
ratio ne peut pas dépasser cette valeur. Augmenter ce ratio revient à augmenter le débit d’azote, mais le flux maximal admissible par le bâti ne peut être supérieur à 50 sccm.
a Impact de l’augmentation du ratio d’azote sur les profils de gravure des
tranchées
D’après les photos MEB du Tableau III-11, on constate que la modification du ratio Flux N2/Flux total a un effet sur la forme des flancs de gravure. On remarque clairement que
Flux Cl2/Flux N2 (sccm) Tranchée de 500 nm Tranchée de 130 nm 70/20 (sccm) 60/30 (sccm) 45/45 (sccm)
Tableau III-11: Profils de tranchées de 500 nm et de 130 nm de largeur observés au MEB
Bien que la gravure latérale diminue, on observe l’apparition de deux défauts de gravure avec l’augmentation du pourcentage d’azote: les flancs sont légèrement concaves ce qui suggère un effet de « bowing », et les fonds des structures gravées ont un profil en pointe pour les structures de faibles dimensions. Ce profil peut s’expliquer par la diminution des espèces réactives présentes au fond des structures présentant un fort rapport d’aspect car moins d’espèces chlorées sont présentes dans le plasma, du fait de l’augmentation du ratio Flux N2/Flux Total.
Les profils concaves des flancs de gravure mettent en évidence un effet de « bowing ». Il est probablement le résultat de la réflexion des ions sur les facettes du masque, comme dans le cas du phénomène de facettage.
La Figure III-21 montre que la profondeur gravée diminue lorsque l’on augmente la quantité d’azote, ce qui signifie que la vitesse de gravure diminue en présence d’azote. Cet effet était prévisible puisque l’on diminue le nombre d’espèces réactives chlorées dans le plasma. On remarque aussi que la réduction de la vitesse de gravure augmente avec la largeur de tranchées. En effet, pour des tranchées de largeur inférieure à 200 nm, le phénomène prépondérant de la réduction des vitesses de gravure est la collection et la diffusion des espèces réactives (ions ou neutres réactifs) à l’intérieur des structures à fort rapport d’aspect, et non la quantité d’espèces réactives totales dans le plasma, ce qui est caractéristique de l’effet ARDE. Au contraire, pour des lignes de 2.5 µm de largeur, la vitesse de gravure est directement liée à la quantité des espèces réactives dans le plasma.
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 P ro fo nd eu r gr av ée ( en µ m )
Flux N2/(Flux Cl2+Flux N2)
Tranchée de 2.5 µm Tranchée de 500 nm Tranchée de 200 nm Tranchée de 100 nm
Figure III-21: Evolution de la profondeur de gravure des différentes tranchées en fonction du ratio Flux N2/Flux Total
b Impact de l’augmentation du ratio d’azote sur les profils de gravure des
trous du cristal photonique
La détermination du flux d’azote a un impact essentiel sur le profil de gravure des trous. En effet, en quantité insuffisante, les trous se rejoignent dans la partie supérieure. En revanche, lorsque le ratio Flux N2/ Flux Total augmente, la gravure latérale diminue et la jonction entre
les plus proches voisins ne se produit pas (Tableau III-12).
Cependant, comme dans le cas des tranchées, le « bowing » augmente avec la quantité d’azote pour des trous de 300 nm de diamètre. On constate néanmoins que le « bowing » est moins important, voire quasiment inexistant pour des trous de diamètre inférieur à 100 nm.
On remarque aussi une réduction de la rugosité de la surface des parois avec l’augmentation de la quantité d’azote pour tous les diamètres de trous.
La Figure III-22 montre l’évolution de la profondeur gravée en fonction du diamètre des trous pour deux cas de ratio Flux Cl2/Flux N2 : dans le premier cas, le ratio est égal à 60/30, dans le
L’effet ARDE est présent dans les deux cas de gravure. On remarque aussi que pour des diamètres de trous inférieurs à 100 nm, les profondeurs de gravure sont équivalentes. Comme dans le cas des lignes, pour ces diamètres très faibles, la gravure n’est plus limitée par la quantité d’espèces réactives globales, mais par celle pouvant atteindre les fonds des motifs pour ces structures à fort rapport d’aspect.
Flux Cl2/Flux N2
(sccm) Trous de 300 nm de diamètre Trous de 95 nm de diamètre
70/20 (sccm) 60/30 (sccm) 45/45 (sccm)
100 150 200 250 300 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Flux Cl2/Flux N2 60/30 sccm Flux Cl2/Flux N2 45/45 sccm Profond eur gra vée (en µm)
Diamètre des trous (en nm)
Figure III-22: Evolution de la profondeur gravée en fonction du diamètre des trous pour deux proportions d’azote
§ Limite de l’ajout de N2
L’augmentation du pourcentage d’azote dans le plasma chloré permet de supprimer la gravure latérale lorsque celui-ci est ajouté en quantité suffisante. Cependant, la vitesse de gravure diminue aussi et ne permet pas d’obtenir les rapports d’aspect souhaités. En outre, la sélectivité du masque n’augmente que très légèrement avec la quantité d’azote. Une élévation de la puissance de polarisation est possible pour limiter la réduction de la vitesse de gravure, mais cette augmentation risque de dégrader le masque par pulvérisation.
Cette solution n’est donc pas envisageable pour la fabrication des cristaux photoniques même si la forme des profils et la rugosité des parois ont été améliorées.
§ Effet de l’azote sur la passivation
Le rôle de l’azote sur la passivation des flancs n’a toujours pas été éclairci. Seule une analyse chimique des parois nous permettrait de savoir si une couche de protection contenant de l’azote se forme sur celles-ci. Des travaux de Braive et al [48] ont révélé la présence d’une couche amorphe de 3 nm d’épaisseur sur les parois des trous du cristal défini dans une membrane de GaAs par une gravure ICP-RIE à base de Cl2/N2. Les auteurs attribuent cette
couche à un dépôt de silice identique à celui obtenu lors de la gravure chlorée dans la filière InP [26]. Il apparaît plus crédible au vu des profils obtenus, que l’azote joue principalement un rôle de gaz porteur, diluant les espèces chlorées réactives et augmentant la pulvérisation de la surface. La diminution des espèces chlorées dans le plasma permet de réduire les défauts de gravure liés à la déflexion de la trajectoire des ions chlorés (bowing, facettage), atténuant la gravure latérale. Mais cette diminution entraîne aussi une réduction de la vitesse de gravure dans le GaAs, ce qui est peu favorable à la réalisation de structures à fort rapport d’aspect.
Ainsi, un procédé de gravure contenant une seule étape ne permet pas d’obtenir les profondeurs de gravure désirées. Réussir à développer un tel procédé permettant à la fois la gravure et la passivation des flancs semble impossible. C’est pourquoi, nous nous proposons de découpler ces deux phénomènes en développant un procédé en plusieurs étapes successives, que nous appellerons procédé multi-étapes. Ce procédé alternera entre des étapes de gravure et des étapes de passivation.