Avant de nous attarder plus longuement sur les méthodes de dépôt de nitrure de silicium les plus récentes et les plus prometteuses, c’est-à-dire les dépôts assistés par plasma de haute densité (ECR, DECR, hélicon et ICP), nous avons jugé utile de situer celles-ci par rapport aux autres méthodes de dépôt en phase vapeur (CVD : chemical vapor deposition). La figure 1-2 donne un aperçu général de ces diverses méthodes en fonction de l’énergie des ions arrivant sur le substrat et de la température de ce dernier pendant le dépôt. Ces valeurs ont été obtenues dans la littérature, à partir des points de fonctionnement de chaque méthode. On constate que les dépôts assistés par plasma de haute densité permettent de réduire au maximum la température du substrat (jusqu’à la température ambiante) et mettent en jeu des ions d’énergie relativement faible (de 10 à 40 eV). Nous verrons au cours de notre étude que ces ions peuvent jouer un rôle important lors du dépôt (chapitre 3).
Lorsque l’on utilise des méthodes ne faisant pas intervenir d’ions, telles que la
photolyse d’un mélange NH3-SiH4 (UVCVD : Ultra-Violet photon assisted CVD) [HOW KEE
CHUN, LEMITI], on s’aperçoit que l’on est obligé d’augmenter la température du substrat. De plus, les films réalisés par cette méthode présentent une densité plus faible que ceux réalisés à partir de plasmas de haute densité (§ 2.5). Cependant, du fait de l’absence d’ions, cette méthode présente l’avantage de minimiser les perturbations de l’interface semiconducteur-
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isolant pendant le dépôt.
Energie des ions (eV)
Température du substrat (°C) 0 50 100 0 100 200 300 400 500 UVCVD LPCVD 800 900 ECR, DECR et ICP PECVD RF
Figure 1-2 Classifications des différentes méthodes de dépôt en phase vapeur (CVD) de
nitrure de silicium.
La méthode la plus simple pour réaliser un dépôt en phase vapeur de nitrure de silicium est sans doute la pyrolyse d’un mélange gazeux à pression atmosphérique (APCVD : Atmospheric Pressure CVD). Les gaz utilisés (en général ammoniac et silane ou dichlorosilane) sont introduits en faibles quantités à l’aide d’un gaz porteur (par exemple l’argon) dans une enceinte chauffée à 800°C environ. Malgré sa grande simplicité, cette méthode est très peu répandue et on préfère utiliser la pyrolyse d’un mélange gazeux à basse pression (LPCVD : Low Pressure CVD). En effet, le fait d’utiliser des pressions faibles (de l’ordre de 100 Pa) permet d’augmenter l’uniformité et la reproductibilité des dépôts. La méthode LPCVD permet l'élaboration de films minces de très bonnes qualités physiques et électriques, à l’exception des contraintes qui sont élevées. En raison de ces qualités, nous utiliserons dans cette étude le nitrure LPCVD (ou nitrure thermique) comme référence.
Cependant cette méthode possède certaines limitations. En effet, les fortes contraintes en tension présentes dans le film ont tendance à fissurer ce dernier, notamment lorsque la surface du substrat présente des marches. De plus, les hautes températures utilisées ( de 800 à 1000°C) peuvent engendrer des problèmes de diffusion d’impuretés ou de dopants dans les dispositifs et ne sont pas compatibles avec tous les matériaux, ce qui limite le domaine d'application de ces méthodes.
Les méthodes de dépôt assisté par plasma (PECVD : Plasma Enhanced CVD) ont permis de réduire considérablement la température du substrat (figure 1-2) et, ainsi, d'envisager des dépôts de films minces sur des matériaux sensibles à la chaleur
(semiconducteurs III-V, plastiques, ...). Les premiers dépôts assistés par plasma sont apparus Puissance RF Entrèe des gaz Pompage Pompage Electrodes Substrat
Figure 1-3 Vue en coupe d’un réacteur PECVD RF capacitif. Il s’agit ici d'un schéma
simplifié du premier réacteur commercialisé par Applied Materials, d’après
[ROSLER].
à la fin des années 60 et ont connu un formidable essor au cours des années 70 : en 1976 Applied Materials commercialise le premier réacteur PECVD sous le nom « Plasma 1 ». Ce type de réacteur, qui utilise des plasmas radiofréquences capacitifs (PECVD RF), est encore très répandu aujourd'hui dans l'industrie. Comme on peut le voir sur la figure 1-3, le principe de ce réacteur est très simple. Deux électrodes sont placées en vis-à-vis, espacées de quelques centimètres, dans une enceinte sous vide, où l’on injecte les gaz contenant les précurseurs du dépôt. Lorsqu’une tension radiofréquence est appliquée sur une électrode, l'autre étant reliée à la masse, le gaz s’ionise et le dépôt se forme sur les électrodes. Le ou les substrats sont généralement placés sur l’électrode reliée à la masse.
Cependant, ce type de réacteur présente plusieurs inconvénients :
• le flux et l'énergie des ions arrivant sur le substrat ne sont pas indépendants,
• le substrat est situé dans la zone de création du plasma et, par conséquent, il n'est pas à l'abri du bombardement d'ions énergétiques [IVANCO],
• les températures de dépôt restent relativement élevées (> 300°C),
• la contamination en hydrogène des films déposés (environ 20%) détériore leurs propriétés physiques et électriques,
• le coefficient d'ionisation dans ce type de décharge est faible. Le flux d'ions est donc lui aussi faible. On peut toujours augmenter la puissance incidente pour augmenter le flux d'ions mais l'énergie des ions augmente également, ce qui peut provoquer des dégâts sur le substrat.
Ces limitations ont favorisé l'essor de nouvelles techniques, mieux adaptées au dépôt de diélectrique à basse température. On peut résumer ainsi les solutions trouvées pour s'affranchir des inconvénients du PECVD RF :
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plasma, pour contrôler l'énergie des ions indépendamment de leur flux,
b. éloigner le substrat de la zone de création du plasma pour limiter l'énergie des ions,
c. augmenter le courant ionique (sans augmenter l'énergie des ions) pour pouvoir diminuer la température de dépôt tout en améliorant la qualité des films,
d. diminuer la pression de travail et utiliser un couplage efficace entre la puissance incidente et le plasma pour augmenter le taux d'ionisation.
Les points a et b peuvent être remplis en conservant la source RF capacitive et en plaçant le substrat en post-décharge (remote-PECVD RF). En utilisant cette technique, Ivanco et al. ont réussi à minimiser la densité d'états d'interface des structures Al/Si3N4/Si : la densité des états présentant un niveau énergétique à 0,23 eV sous la bande de conduction du silicium est de l'ordre de 1010 eV-1 cm-2 en mode post-décharge alors qu'elle est de l'ordre de 1012 eV-1 cm-2 en mode direct [IVANCO]. Cependant, les vitesses de dépôt obtenues sont très faibles (environ
2 Å/min). Pour palier cet inconvénient, ainsi que pour satisfaire les points c et d, l'utilisation d'une source plasma plus efficace que la source RF capacitive est nécessaire. Les diverses sources, qui ont été proposées, sont caractérisées par une pression de travail très basse et une densité de charge élevée, par rapport aux plasmas RF capacitifs. Elles sont appelées sources de plasma de haute densité (HDP).
Dans les sources HDP, le plasma est entretenu par des ondes électromagnétiques radiofréquences ou micro-ondes. Le couplage de ces ondes avec le plasma défini le type de réacteur. Dans les paragraphes suivants, nous allons détailler les principales sources de plasma de haute densité pouvant être utilisées pour le dépôt de films minces diélectriques.