L'influence de la composition de la phase gazeuse

Les contraintes présentes dans le film (σ) ont été calculées à partir de la différence de rayon de courbure du substrat (R) avant et après dépôt, par la formule de Stoney

[RETAJCZYK] : σ = Es 1− ν_s e_s2 6e_f 1 R (4-3)

où Es et νs sont respectivement le module d'Young et le coefficient de Poisson du substrat, et où es et ef sont les épaisseurs respectives du substrat et du film. Pour toutes les mesures de contraintes, nous avons utilisé des substrats de silicium orientés (100) de 300 µm d'épaisseur. Pour ce type de substrat, le rapport

E_s

1− ν_s vaut 1,8×10 11

Pa [RETAJCZYK].

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• l'épaisseur du film doit être très petite devant celle du substrat ; dans notre cas on a es / ef ≥ 103,

• la déformation du substrat doit être faible devant celle du film, ce qui est vérifié ici car les constantes élastiques des deux matériaux sont proches et leurs épaisseurs très différentes (voir point précédent),

• les déformations occasionnées par les contraintes se situent dans le domaine élastique ; ce point peut facilement être vérifié expérimentalement puisque si l'on sort du domaine élastique alors le film craque ou se décolle (voir figure 4-13),

• les déformations sont linéaires, ce qui sous-entend que la déflexion est faible par rapport à l'épaisseur du substrat ; dans notre cas les déflexions sont inférieures à 15 µm et l'épaisseur du substrat vaut 300 µm,

• la surface déformée doit être sphérique. Cette dernière hypothèse se vérifie expérimentalement sur la forme des franges d'interférence. En effet, si la surface est sphérique, les franges auront l'allure d'anneaux concentriques. Dans la pratique, les franges ne sont jamais parfaitement circulaires et on mesure la courbure du substrat en moyennant

-1500 -1000 -500 0 500 contraintes (MPa) 0 5 10 15 20 R_N= N₂/SiH₄ ou NH₃/SiH₄ N₂+SiH₄ NH₃+SiH₄

Figure 4-10 Contraintes du film en fonction du rapport des débits pour les

plasmas ammoniac+silane et azote+silane, à 0,3 Pa et 1500 W.

Substrat Film en compression Substrat

Contrainte σ

σ < 0 σ > 0

Film en tension

Figure 4-11 Conventions utilisées pour les mesures de contraintes

le nombre de franges dans quatre directions perpendiculaires, en partant du centre du substrat.

Toutes ces hypothèses étant vérifiées dans notre cas, l'erreur introduite par l'utilisation de la formule 4-3 est inférieure à 5%. La méthode de mesure des contraintes que nous utilisons est relativement précise (voir chapitre 2, § 3) ; l'erreur expérimentale ne dépasse pas 10% et est principalement due à la détermination de la courbure du substrat avant et après dépôt. L'erreur totale sur la détermination des contraintes est donc inférieure à 15%.

Les résultats sont présentés sur la figure 4-10, pour les films déposés en plasma azote+silane et ammoniac+silane, en fonction du rapport des débits RN. Rappelons que les valeurs négatives des contraintes correspondent à un film en compression (figure 4-11). Nous pouvons remarquer qu'il n'y a aucune contrainte dans les films déposés en plasma ammoniac+silane, compte tenu de la précision expérimentale, excepté le cas RN = 1, où nous avons vu précédemment une incorporation de silicium amorphe dans le film (chapitre 3, § 2.3.1). À l'opposé, les contraintes des films déposés en plasma azote+silane deviennent de

-2000 -1000 0 contraintes (MPa) 2,2 2,4 2,6 2,8 3 densité (g/cm3) N₂+SiH₄ NH₃+SiH₄

Figure 4-12 Contraintes du film en fonction de sa densité pour les plasmas

ammoniac+silane et azote+silane, à 0,3 Pa et 1500 W.

plus en plus négatives lorsque RN augmente. Dans le cas azote+silane comme dans le cas ammoniac+silane, nous pouvons observer une bonne corrélation entre les contraintes et la densité du film (figure 4-12). En réalité, nous pensons que ces deux propriétés importantes du film mince sont essentiellement déterminées par le bombardement ionique de la surface du film pendant le dépôt (chapitre 3, § 2.3.2).

Ces résultats nous montrent que le nitrure déposé en plasma azote+silane à RN = 19 et 1500 W, qui présente de très bonnes propriétés diélectriques (§ 1.1), est fortement contraint (- 1600 MPa). Or, ces contraintes peuvent constituer un inconvénient majeur lors de l'utilisation

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du nitrure de silicium pour fabriquer un dispositif (photodiodes, TBH ou autre). En effet, les étapes suivant le dépôt de nitrure (ouvertures de fenêtres pour l'implantation ionique ou pour la prise de contact) peuvent engendrer un décollement du film si les contraintes sont trop élevées. Nous avons même constaté que le nitrure de silicium fortement contraint déposé sur InGaAs se décollait par endroits après sa sortie du réacteur sans qu'il ait subi de traitement ultérieur ; comme le montre les figures 4-13a et b, les contraintes en compression engendrent un plissement du film (contrairement aux contraintes en tension qui peuvent engendrer des craquelures dans le film). La figure 4-13a représente une observation au microscope optique du film décollé (×250) et la figure 4-13b la topographie de la surface mesurée au profilomètre (DEKTAK).

Etant donnés les problèmes que peuvent créer les contraintes, nous avons jugé utile de définir deux points de fonctionnement : le premier (plasma azote+silane,

1500 W et RN = 19) permettant de déposer un nitrure de silicium avec de bonnes

propriétés diélectriques et le second pour obtenir un film avec des propriétés diélectriques non optimisées mais sans contrainte. Pour définir ce second point de

(a) (b)

Figure 4-13 (a) Observation au microscope optique (×250) d'un film de nitrure de

silicium déposé sur InGaAs (film de 80 nm d'épaisseur déposé en plasma azote+silane à 1500 W et RN = 19).

(b) Topographie de la surface mesurée au profilomètre.

fonctionnement, plusieurs choix s'offrent à nous. En plasma ammoniac+silane, les films déposés avec un rapport RN supérieur à 3 sont non contraints et un rapport RN = 19 optimise les propriétés volumiques du film. Cependant ce point présente deux inconvénients : la vitesse de dépôt est faible (1,4 nm/min) et l'utilisation de l'ammoniac ne permet pas de passer facilement d'un point de fonctionnement à l'autre. Nous avons donc choisi de travailler en

plasma azote+silane, avec un rapport RN = 4. En effet ce point bénéficie d'une vitesse de dépôt plus élevée (6,4 nm/min) et d'une contrainte faible (< 200 MPa). De plus, le choix de RN = 4 plutôt que RN = 1,5 permet de garder une stoechiométrie (N/Si=1,39) et une densité (2,7 g/cm3) acceptables.