CHAPITRE 5. MECANISMES DE COLLAGE D’OXYDE DE SILICIUM DOPE AU CARBONE
5.2. E TUDES DES COLLAGES DIRECTS A S I OCH 3 POREUX
5.2.3. Mécanisme de collage dans les structures asymétriques : a-SiOCH 3 //Si
1.2.1.2. Intégration de nouveaux BOX alternatifs
1.2.1.2.1.
Effet d’auto échauffement des substrats SOI : les « high k »
L’introduction d’un oxyde enterré, ici SiO2, ayant une conductivité thermique de 1,3 W.m- 1.K-1(cf. Tableau 1-2), cent fois plus faible que celle du silicium (150 W.m-1.K-1) engendre une accumulation de chaleur lors du fonctionnement des dispositifs électroniques tels que les transistors à effet de champ MOSFET, qui jusqu’alors s’évacuait { travers le silicium massif. C’est le phénomène d’auto-échauffement. Pour certaines applications il n’est plus négligeable car il dégrade la mobilité des porteurs de charge ; il modifie également la tension seuil de l’interrupteur électronique et donc endommage le fonctionnement même du dispositif. Finalement, une augmentation de la puissance consommée est observée lors de l’échauffement des dispositifs [Oshima et al. 2004]. Il est alors recherché des matériaux palliant cet inconvénient [Bengtsson et al. 1996; Bresson et al. 2005]. Les potentiels candidats doivent répondre à plusieurs critères : une résistance électrique supérieure ou au moins identique au SiO2, un coefficient de dilatation thermique proche du silicium (αSi=26.10-7 K-1) afin d’éviter l’apparition de contraintes ou de fissures dans la structure collée, ainsi qu’une conductivité thermique supérieure à SiO2 (cf. Tableau 1-2).Tableau 1-2. Conductivité thermique, permittivité relative et coefficient de dilation thermique (CTE) des nouveaux matériaux susceptibles de devenir des BOX [Bengtsson et al. 1996; Bresson et al. 2005]
Matériaux Diélectrique k Constante Résistivité électrique (Ω.m) Conductivité thermique (W.m-1.K-1) (10-7CTE K-1)
SiO2 3,9-4 1011-1014 1,2-1,5 5
C-Diamant 5,5-5,7 1012-1014 800 2-8
Si3N4 6-9 1011 4-30 33
AlN 8-9 109-1013 67-200 40-50
α-Al2O3 8-12 1011-1014 17-30 50-80
Ils appartiennent tous à la classe des oxydes dit « high k » dont la constante diélectrique est supérieure à celle de SiO2. La flexibilité des procédés de fabrication pour l’obtention d’un film adéquat pour le collage direct est également un critère de choix. Parmi eux, l’oxyde d’aluminium et le nitrure de silicium reviennent de nombreuses fois dans la littérature.
En termes de dissipateur thermique, le film de C-diamant constitue le meilleur candidat (αC = 800 W.m-1.K-1) ; cependant la problématique de rugosification importante lié à la poly- cristallinité des dépôts du diamant nécessite des étapes de polissage difficilement réalisables à cause de son extrême dureté. L’obtention d’un film peu rugueux pourrait être envisageable pour de très faibles épaisseurs mais le gain apporté pour l’échauffement thermique resterait alors faible [Bresson et al. 2005]. Des propositions de réagréage par dépôt de SiO2 ou de Si3N4 sont alors proposées comme alternative au polissage du diamant [De Beaumont 2007; Rabarot et al. 2010]. Mais la grande différence de coefficient de dilation thermique provoque l’apparition de fissures qui a pu être observée lors d’un recuit de consolidation { 1150°C [Yushin et al. 2002]. Ces inconvénients ralentissent son intégration comme BOX de SOI.
Ainsi, Al2O3 et AlN furent parmi les premiers « high k » à être véritablement intégrés comme BOX alternatif via une étape de collage [Bengtsson et al. 1996; Oshima et al. 2004]. Pourtant meilleur conducteur thermique que l’alumine (a-Al2O3), la réalisation d’un SOI { base d’AlN est peu étudiée [Bengtsson et al. 1996; De Beaumont 2007]. En effet, les critères d’adhésion sont en effet difficilement tenables, sans étape de CMP, de par la nature poly cristalline du dépôt d’AlN qui engendre une rugosification de la surface dès 50 nm déposés. Il est cependant reporté quelques cas spécifiques d’AlN amorphes stables jusqu’{ 1100°C lors de la réalisation d’un SOI par Smart CutTM [Men et al. 2002]. En revanche la nature amorphe et l’obtention d’un dépôt peu rugueux par dépôt de couches atomiques en voie chimique (ALD), font de Al2O3 un excellent candidat pour remplacer SiO2 et justifient l’engouement de nombreuses études scientifiques que nous détaillerons au Chapitre 4. Les premiers résultats montrent en effet le bénéfice d’un collage direct hydrophile Al2O3//Al2O3 en termes de tenue mécanique vis-à-vis du collage SiO2//SiO2. En effet, on observe un gain presque d’un facteur deux dès 300°C, avec ou sans une activation plasma O2 [Chong and Tan 2009; Ikku et al. 2011; Daix et al. 2013]. Cependant des phénomènes de décollements, et de défectivités interviennent après recuit comme montré en FIGURE 1-19 pour des structures Al2O3//Al2O3 mais aussi des structures asymétriques Al2O3//Si et Al2O3//SiO2 [Ericsson et al. 1997; De Beaumont 2007; Puurunen et al. 2012] et restaient pour le moment sans explication détaillée, et sans solution technologiques. Toutefois nous verrons que la gestion de l’eau { l’interface de collage peut jouer un grand rôle dans la compréhension de ces phénomènes, comme dans le cas des collages directs hydrophiles à base de SiO2, et une partie des travaux de cette étude s’y consacrera.
Présentation du collage direct
a. Défectivité b. Zone Non Transférée c. Bulle { l’interface Si-a-Al2O3
FIGURE 1-19.EXEMPLES DE DEFECTIVITE OBSERVEES (A) PAR MICROSCOPIQUE ACOUSTIQUE D’UN COLLAGE SI-A-AL2O3//A- AL2O3-SI RECUIT [Puurunen et al. 2012],(B) PAR MICROSCOPIQUE OPTIQUE D’UNE STRUCTURE INP//A-AL2O2-SI APRES SMART CUTTM [Fan et al. 2014],(C) PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE D’UNE STRUCTURE INGAA-A-AL2O3//A-AL2O3-SI APRES BESOI[Yokoyama et al. 2013].
Enfin certaines études font cas de l’utilisation d’un BOX alternatif basé sur une couche seule de Si3N4, de bi-couche (SiO2- Si3N4) ou de tri-couche (Si3N4-SiO2-Si3N4), appelé aussi ONO pour « oxide-nitride-oxide », afin de diminuer également l’échauffement dans les substrats SOI [Xie et al. 2002; Xie et al. 2004; Roig et al. 2002]. Cette dernière configuration a également prouvé son utilité pour améliorer les performances de certains composants électroniques. Nous proposons de nous attarder sur certains exemples.
1.2.1.2.2.
Transfert de contrainte : le BOX ONO
Afin d’augmenter la vitesse de fonctionnement des dispositifs électroniques, notamment des transistors CMOS, ce qui équivaut à accélérer la mobilité des porteurs de charges, les industriels optent pour plusieurs stratégies dont l’une d’elle consiste { introduire une contrainte mécanique dans le film actif de silicium servant de canal de conduction. La première famille de solutions consiste à utiliser un film mince de Si3N4 alors précontraint, et/ou à épitaxier des source/drain en SiGe ou SiC plutôt qu’en silicium lors de la fabrication des transistors CMOS (CESL pour « Contact Etch Stop Layer », STS pour « Stress Memorization Techniques »,…) [Baudot 2011]. Une autre possibilité consiste à introduire cette contrainte avant la fabrication des transistors grâce { l’ingénierie du substrat. C’est le cas notamment lors de l’utilisation de (bi)couches SiGe et/ou Si épitaxiées directement sur Silicium massif ou sur substrats SOI (SGOI pour « Silicon-Germanium-On-Insulator » …) ou par leur transfert par Smart CutTM. Ces substrats appartiennent à la catégorie des sSOI pour« Strained Silicon-On-Insulator ». Cependant, plutôt que de modifier les propriétés du film actif de silicium monocristallin de la structure SOI, certains travaux proposent de remplacer intelligemment l’oxyde enterré en SiO2 par une tricouche précontrainte de type SiO2-Si3N4-SiO2, dont les étapes technologiques sont schématisées dans la Figure 1-20, afin de transférer la contrainte du nitrure de silicium après la gravure de tranchées [Baudot et al. 2009]. L’empilement est obtenu après le collage direct d’un substrat Si oxydé à un substrat SOI également oxydé sur lequel un film de Si3N4 a été déposé par voie chimique. Le transfert de l’oxyde enterré et du film de silicium est alors réalisé par gravure sélective.
Figure 1-20.Exemple de procédé de transfert de contrainte par réalisation d’une structure SOI avec un oxyde enterré ONO mettant en jeu un collage direct SiO2//Si3N4-SiO2-SOI [Baudot et al. 2009].
Au cours des années, la présence d’un BOX ONO dans un substrat SOI a su démontrer ses nombreux avantages dans d’autres d’applications notamment en raison des propriétés physico- chimiques de Si3N4. Brièvement nous pouvons citer son utilisation comme couche d’arrêt lors de la gravure sélective fine d’un transistors de type multi-grille [Patruno et al. 2007] ou sa capacité { stocker l’information dans les dispositifs de mémoire [Chang et al. 2011].
Dans cette partie, par ces exemples, nous avons pu démontrer la flexibilité du procédé de collage { intervertir l’oxyde enterré en SiO2 avec d’autres oxydes comme Al2O3 ou nitrure comme Si3N4 afin de répondre aux exigences des applications. Dans la même optique, le support en silicium massif et/ou le film actif en silicium monocristallin peuvent être remplacés par d’autres matériaux dont nous donnons quelques exemples dans le paragraphe suivant.