II.4.1/ Problématique du bicouche
Dans ce qui précède, nous avons montré la possibilité de réaliser une couche d’oxyde ou une couche de nitrure d’épaisseur et de contrainte bien déterminées, sur un substrat de silicium. Le Tableau II.12 résume les caractéristiques de référence des 2 monocouches.
Tableau II.12 : Caractéristiques de référence des films d’oxyde et de nitrure
SiO2 Si3,2N4
contrainte -300 MPa +600 MPa
indice de réfraction à 830 nm 1,45 2,05
permittivité relative en RF 3,90 8,1 *
* La permittivité relative du Si3,2N4 a été déterminée en utilisant la relation de Bruggeman au § II.3.3.c.
Nous examinons maintenant le dépôt d’une couche de nitrure sur un substrat déjà recouvert d’une couche d’oxyde. En effet les films monocouche ne sont pas entièrement satisfaisants du point de vue de la contrainte. La contrainte du film d’oxyde est relativement faible (-300 MPa) mais elle est compressive, d’où un risque de flambement de la membrane après libération du substrat, qui nuirait à la planéité des circuits. La contrainte du film de nitrure non stœchiométrique est en tension (+600 MPa) mais elle est encore relativement élevée, ce qui nuit à sa résistance mécanique. Il peut donc être intéressant d’associer les 2 matériaux pour obtenir une contrainte résultante en tension suffisamment faible. Le dépôt de nitrure se faisant à une température de 750 °C très inférieure à celle de croissance de la couche d’oxyde (1150 °C), cela doit nous mettre à l’abri d’une modification des caractéristiques
mécaniques de l’ensemble silicium + oxyde lors du dépôt du nitrure. La question qui se pose est celle du choix des épaisseurs respectives des 2 couches.
II.4.2/ Méthode de caractérisation du bicouche et choix des épaisseurs
Les films monocouches ont été caractérisés par leur épaisseur, leur contrainte et leur permittivité relative. Le film bicouche peut être caractérisé par 3 paramètres similaires.
II.4.2.a) Lois d’association l’épaisseur
La loi d’association est très simple :
e = eox + eni [éq. II.9]
L’épaisseur du bicouche est la somme des épaisseurs de chaque couche. la contrainte
La contrainte résultante est obtenue par une addition des contraintes individuelles pondérées par les épaisseurs [Tow. 87j]. L’équation II.10 suppose que l’interaction des films entre eux est négligeable. Cette approximation est valable pour des films minces sur un substrat épais.
σ = eoxe σox + ee niσni [éq. II.10]
La contrainte résultante ne dépend que du rapport des épaisseurs et non de leur valeur propre, ce qui est encore plus visible en mettant σ sous la forme :
σ = σox + eni eox σni
1 + eeni
ox [éq. II.11]
Nous devons noter que la contrainte résultante caractérise le film globalement, mais qu’une contrainte interne de cisaillement existe à l’interface des 2 couches et doit être contenue par une bonne adhérence des 2 matériaux.
la permittivité relative
Le mode d’association des couches pour le calcul de la permittivité effective d’un guide coplanaire sera traité aux §§ IV.3.1.c et IV.3.1.d à l’aide de la transformation conforme. Cependant, pour avoir une indication approximative de la permittivité relative d’une couche homogène équivalente aux deux couches individuelles, nous pouvons faire une moyenne des permittivités relatives pondérées par les épaisseurs.
La loi d’association est proche de celle des condensateurs en parallèle, d’où :
εr = eoxe εrox + ee εni rni [éq. II.12]
II.4.2.b) Abaque d’association
A partir des formules précédentes, nous avons établi l’abaque présenté sur la Figure II.16. Il permet de choisir les épaisseurs individuelles pour une épaisseur globale et une contrainte globale fixées, sachant que les contraintes individuelles sont :
σox = -300 MPa et σni = +600 MPa. -100 MPa 0 1 2 3 4 1 2 eni (µm) eox (µm) 300 MPa 200 MPa 100 MPa -200 MPa σ = 0 MPa 0 e = 2,5 µm e = 2,0 µm e = 1,5 µm e = 1 µm
Figure II.16 : Abaque d’épaisseur et de contrainte pour l’association en bicouche d’oxyde et de nitrure de silicium
II.4.2.c) Choix effectués pour poursuivre l’étude Valeurs moyennes
Pour poursuivre l’étude du film bicouche nous avons choisi un rapport d’épaisseur eni/eox = 3/4 auquel
correspond une contrainte en tension faible. Les paramètres de référence retenus dans la suite de l’étude sont présentés dans le Tableau II.13 [Ese. 98s].
Tableau II.13 : Paramètres de conception du bicouche
épaisseur du film bicouche 1,4 µm
épaisseur d’oxyde 0,8 µm
épaisseur de nitrure 0,6 µm
contrainte résultante du film 85 MPa
permittivité relative globale du film en RF 5,7
Dispersion interplaquette
L’étude du film monocouche de nitrure a montré que la dispersion des 3 caractéristiques (épaisseur, permittivité, contrainte) comportait une composante déterministe. L’étude du film d’oxyde a montré une composante déterministe seulement sur la dispersion en épaisseur. Dans tous les cas ce déterminisme est lié à la disposition des plaquettes dans les réacteurs. Il est donc possible de mettre à profit cette remarque pour diminuer la dispersion interplaquette d’une ou plusieurs caractéristiques globales.
Pour cela nous repérons la position des plaquettes dans le réacteur d’oxydation. Nous pouvons les replacer dans le réacteur de nitruration, soit dans le même ordre soit dans l’ordre inverse. Nous avons effectué une simulation dans les 2 cas à partir des données des dépôts monocouches. Les résultats sont présentés dans le tableau II.14.
Tableau II.14 : Comparaison de 2 modes de réalisation du bicouche
épaisseur contrainte
moyenne écart type moyenne écart type
plaquettes dans le même ordre 1407 nm 26 nm 76 MPa 16 MPa
plaquettes dans l’ordre inverse 1407 nm 70 nm 76 MPa 19 MPa
Nous voyons que la dispersion sur la contrainte est du même ordre dans les 2 cas. Pour les épaisseurs, la dispersion est évidemment bien meilleure dans le premier cas, où nous associons les plus grandes épaisseurs d’oxyde aux plus petites épaisseurs de nitrure et réciproquement.
Nous choisissons donc de maintenir les plaquettes dans le même ordre pour les 2 dépôts. II.4.3/ Résultats obtenus sur un film bicouche oxyde/nitrure
II.4.3.a) Uniformité d’épaisseur du bicouche intraplaquette
Le Tableau II.15 donne le résumé statistique de l’épaisseur du bicouche sur une plaquette. L’amplitude de la dispersion d’épaisseur du bicouche exprimée en valeur relative est comprise entre les amplitudes de dispersion de l’oxyde et du nitrure.
Tableau II.15 : Epaisseur moyenne et écart type du bicouche intraplaquette
épaisseur moyenne 1408 nm
écart type 21 nm
écart type relatif 1,5 %
L’annexe A.II.6 présente et commente la distribution des épaisseurs. II.4.3.b) Uniformité du bicouche interplaquettes
Le Tableau II.16 donne un résumé statistique des caractéristiques du film bicouche pour 12 plaquettes, en rappelant les caractéristiques statistiques des monocouches lorsqu’elles sont déposées indépendamment sur des substrats distincts.
Pour le bicouche, l’ellipsomètre mesure les épaisseurs couche par couche. Pour chaque plaquette l’épaisseur totale est la somme des épaisseurs individuelles. Le profilomètre mécanique, quand à lui, détermine directement la contrainte globale du bicouche.
Tableau II.16 : Uniformité interplaquettes du bicouche oxyde nitrure bicouche
épaisseur moyenne 802 603 1399
(nm) écart type 22 48 26
contrainte moyenne -318 613 82
(MPa) écart type 28 48 18
Le faible écart type obtenu sur la contrainte résultante s’explique par une intercompensation des dispersions en épaisseur et en contrainte du monocouche de nitrure dans l’application de la loi d’association.