II.2.1/ Caractéristiques physiques de l’oxyde de silicium
Le Tableau II.2 donne quelques constantes physiques approximatives d’un film d’oxyde obtenu par oxydation à haute température, d’après [Han. 87c]. La constante diélectrique n’étant pas proche de 1, l’oxyde doit être utilisé en faible épaisseur. Sa contrainte sera examinée plus loin.
Tableau II.2 : Constantes physiques de l’oxyde
résistivité (oxyde sec) ≈ 5.1015 Ω.cm
constante diélectrique (en RF) ≈ 3,9
indice de réfraction (à 830 nm) ≈ 1,45
coefficient de dilatation à 25 °C ≈ 0,5.10-6 /°C
module d’Young (E) ≈ 65 GPa
coefficient de Poisson (ν) ≈ 0,16
E / (1-ν) ≈ 77 GPa
II.2.2/ Technologie de la croissance d’oxyde II.2.2.a) Réactions
L’oxyde de silicium peut être obtenu par 2 procédés chimiques à haute température [Rou. 97t] : - la voie sèche
Si(s) + O2(g)→ SiO2(s) [éq. II.1]
- la voie humide
Si(s) + 2H2O(g)→ SiO2(s) + 2H2(g) [éq. II.2]
D’après le modèle de Deal et Grove [Dea. 65j], la croissance d’oxyde peut se diviser en 3 étapes : 1) Transport des gaz oxydants jusqu’à la surface de l’oxyde déjà formé.
2) Diffusion des gaz oxydants à travers la couche d’oxyde déjà formée. 3) Réaction des gaz oxydants à la surface du silicium.
La loi de croissance obtenue est une loi mixte linéaire et parabolique. Pour de faibles épaisseurs (temps de croissance courts) la cinétique est déterminée par la réaction de surface, dans ce cas la croissance est fonction linéaire du temps. Lorsque l’épaisseur devient importante, la cinétique est contrôlée par la diffusion, la croissance est alors proportionnelle à la racine carrée du temps.
Bien que le coefficient de diffusion de H2O dans le SiO2 soit plus petit que celui de l’O2, la vitesse de croissance est plus grande pour l’oxydation humide, car la concentration de molécules de H2O diffusant dans l’oxyde est beaucoup plus grande que celle de O2. Ceci peut s’expliquer par le fait que l’oxyde formé par voie humide est moins dense (donc plus poreux) que l’oxyde formé par voie sèche.
II.2.2.b) Le réacteur et sa mise en œuvre
La croissance de l’oxyde se déroule sous un flux gazeux à pression atmosphérique dans un four en quartz à murs chauds. Le four que nous avons utilisé est représenté sur la Figure II.2. Ce même four peut être utilisé pour la croissance par voie sèche (O2 seulement) et par voie humide (O2 et H2).
O2H 2 éléments chauffants éléments chauffants plaquettes four hydrox ampoule détecteur d’UV N2 Ar thermocouples nacelle
Figure II.2 : Schéma du four d’oxydation
Dans le cas de la voie humide, l’oxygène et l’hydrogène gazeux réagissent dans une ampoule insérée à cet effet. L’ampoule est suivie d’un détecteur d’UV qui coupe les lignes d’alimentation par sécurité dans le cas où l’absence de flamme indique que la combinaison des 2 gaz ne s’est pas produite. Le rapport des débits H2/O2 est légèrement inférieur à 2 pour assurer la consommation totale de l’hydrogène et éviter son accumulation dans les colonnes et tout risque d’explosion
L’introduction et la sortie des plaquettes se font à 600 °C sous un flux de N2. Après l’opération de croissance d’oxyde, la redescente de la température s’effectue sous une atmosphère d’Argon afin de purger les lignes avant le défournement. La température est contrôlée par des thermocouples positionnés le long du four.
Sur la nacelle, les 12 plaquettes à traiter sont précédées et suivies de 3 plaquettes ’’écran’’ pour homogénéiser le flux. La distance entre 2 plaquettes consécutives est de 1 cm.
II.2.3/ Essais préliminaires
Les essais préliminaires ont pour objet de comparer les méthodes de synthèse par la voie sèche et par la voie humide et de déterminer les températures de croissance appropriées.
Une première estimation du temps de dépôt est obtenue à partir d’abaques. Cette estimation est complétée par les connaissances expérimentales concernant le four afin de définir les conditions et le temps de croissance. Le Tableau II.3 rapporte pour chaque essai, la durée d’utilisation des gaz oxydants, l’épaisseur d’oxyde et la contrainte pleine plaque3. Nous avons de plus calculé la contrainte thermique théorique de l’oxyde à partir des constantes physiques connues, tirées du Tableau II.2.
Tableau II.3 : Essais comparatifs de différentes croissances d’oxyde
essai de croissance température (°C) temps de croissance (h) épaisseur d’oxyde (nm) * indice de réfraction à 830 nm contrainte totale mesurée (MPa)** contrainte thermique estimée (MPa) humide 900 5,5 500 1,45 -150 -200 humide 1150 2 500 1,45 -300 -250 humide 1150 4 1000 1,45 -300 -250 sec 1150 12 500 1,45 -300 -250
3 Pour pouvoir mesurer la contrainte par la méthode de la flèche (cf annexe A.II.2) nous retirons le film d’oxyde de la face
arrière dans un bain d’acide fluorhydrique tamponné au fluorure d’ammonium(‘’buffer HF’’). La vitesse de gravure est de l’ordre de 100 nm.min-1.
* La valeur est arrondie à la dizaine de nm la plus proche ; l’écart type est de quelques nm
** La valeur est arrondie à la dizaine de MPa la plus proche ; l’écart type est de quelques dizaines de MPa.
La constance de l’indice de réfraction montre l’identité du produit réalisé dans les 4 cas. La valeur 1,45 correspond bien à de l’oxyde de silicium SiO2.
Nous voyons que la contrainte augmente avec la température mais pas avec l’épaisseur. La comparaison des 2 dernières colonnes du Tableau II.3 confirme que la contrainte totale est à peu près uniquement d’origine thermique, compte tenu de la précision de l’estimation.
II.2.4/ Procédé de référence pour le film d’oxyde
A la suite des essais préliminaires, nous avons choisi un procédé de référence pour effectuer les études d’uniformité. Nous avons réalisé sur 2 lots de 12 plaquettes une couche d’oxyde d’épaisseur 800 nm par la voie humide à 1150 °C. Cette voie a été choisie pour sa rapidité de croissance. Cependant, au début et à la fin du processus de croissance humide, nous effectuons une croissance par voie sèche pour densifier le SiO2. La durée totale du procédé est de 4h30. La durée de la croissance est de 3h40. II.2.5/ Reproductibilité des caractéristiques du film monocouche d’oxyde
II.2.5.a) Uniformité de l’oxyde intraplaquette
Le Tableau II.4 donne le résumé statistique des mesures. Sur une même plaquette, nous obtenons une très bonne uniformité que ce soit en épaisseur ou en indice de réfraction.
Tableau II.4 : Moyenne et écart type de l’épaisseur et de l’indice de réfraction de l’oxyde pour une plaquette
moyenne écart type écart type relatif
épaisseur 798 nm 9 nm 1,13 %
indice de réfraction à 830 nm 1,448 2,21.10-3 0,2 %
L’annexe A.II.4 présente et commente la distribution des épaisseurs. II.2.5.b) Uniformité de l’oxyde interplaquettes
Le Tableau II.5 donne un résumé statistique des caractéristiques du film sur 24 plaquettes oxydées issues de 2 croissances distinctes.
Tableau II.5 : Uniformité interplaquettes de l’oxyde moyenne écart type écart type
relatif écart entre 2 lots
épaisseur 802 nm 22 nm 2,8 % 0,1 nm
indice de réfraction à 830 nm 1,447 4,34.10-3 0,3 % 0
contrainte -318 MPa 28 MPa 8,8 % 8 MPa
Les valeurs moyennes sont conformes aux prévisions. Les écarts types en épaisseur et en indice de réfraction sont faibles. L’écart type en contrainte est un peu plus élevé. L’écart des moyennes entre 2 lots peut être considéré comme nul.
Nous présentons maintenant l’allure des distributions observées. La plaquette notée 1 est celle qui est située le plus près de l’entrée du four, c’est-à-dire le plus loin de l’arrivée des gaz.
Dispersion d’épaisseur
La Figure II.3 présente les écarts par rapport à la moyenne pour un lot. La distribution des écarts présente une composante déterministe marquée. Nous l’attribuons à une isothermie imparfaite, la température s’élevant à mesure que l’on s’éloigne de la porte d’entrée du four. L’écart maximal est de 43 nm. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 60 40 20 0 -60 -40 -20
position de la plaquette sur la nacelle écart par rapport à la moyenne (nm)
Figure II.3 : Distribution interplaquettes de l’épaisseur de la couche d’oxyde Distribution de composition et de contrainte
La Figure II.4 et la Figure II.5 présentent respectivement les écarts par rapport à la moyenne de l’indice et de la contrainte pour un lot. Les distributions de l’indice et de la contrainte sont du type aléatoire.
écart par rapport à la moyenne
-0,010 0,010 -0,005 0,005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0,000
position de la plaquette sur la nacelle
Figure II.4 : Distribution interplaquettes de l’indice de la couche d’oxyde
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -60 -20 40 -40 60 20 0
écart par rapport à la moyenne (MPa)
position de la plaquette sur la nacelle
Figure II.5 : Distribution interplaquettes de la contrainte de la couche d’oxyde
Les résultats obtenus en matière de reproductibilité du film d’oxyde sont satisfaisants. Cependant le caractère compressif de la contrainte et les risques de flambement associés conduisent à examiner d’autres solutions.