Présentation du dispositif de test

La conception, le développement, la réalisation et la caractérisation d’un interposeur complet intégrant les capacités traversantes faisant l’objet de cette étude demande beaucoup de temps. Il n’a malheureusement pas été possible de caractériser de telles capacités à l’issue des travaux de thèse.

Cependant, la réalisation et la caractérisation d’un démonstrateur test simplifié « face avant » ont permis l’évaluation de certaines caractéristiques électriques du composant. Ce démonstrateur comporte un empilement MIM déposé dans des matrices de vias profonds non débouchantes, ainsi les contacts électriques de chacune des électrodes de la capacité sont repris par la même face de la plaque de silicium.

Cette configuration ne permet pas la mesure des valeurs d’ESR et d’ESL représentatives du TSC, puisque dans ce cas les capacités non débouchantes ne peuvent pas être considérées comme montées en parallèle. Ce démonstrateur permet malgré tout la mesure de la valeur capacitive du composant ainsi que celle du courant de fuites traversant le diélectrique.

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2.1.1 Réalisation du démonstrateur

La première partie de la méthode de réalisation de la structure est illustrée sur la Figure IV. 1 (reprise du troisième chapitre). Tout d’abord, un masque dur d’oxyde de silicium de 500 nm est crû dans un four d’oxydation. Ensuite, une étape de photolithographie permet la réalisation des motifs de vias à l’aide d’un masque dédié. Le masque dur est ensuite gravé par plasma, puis les vias sont réalisés par DRIE. Une fois les vias gravés, la résine et le masque dur sont retirés par voie chimique. Puis la plaque est placée dans un four pour y faire croître une couche de 500 nm d’oxyde de silicium faisant office de passivation. L’empilement MIM est ensuite déposé selon les conditions suivantes : les électrodes sont composées d’une couche de 150 nm de TiN déposée par MOCVD, le précurseur utilisé dans ce cas est le TDMAT. Le diélectrique est une couche de 20 nm d’alumine déposée par ALD.

Figure IV. 1. Première partie de la méthode de réalisation de la structure de test pour la caractérisation électrique de matrices de TSC.

Jusqu’ici, le procédé de réalisation ne diffère pas de celui utilisé dans le cadre de l’étude de conformité de l’empilement TiN/Al2O3/TiN dans une matrice de type « via-last » présenté

précédemment. Cependant, notre objectif dans ce cas est la mesure électrique de l’empilement MIM. Afin de polariser le diélectrique, chacune des électrodes doit être accessible aux pointes de mesures. En l’état, l’électrode inférieure est inaccessible, car elle est enfouie sous l’électrode supérieure et le diélectrique, il est donc nécessaire de graver l’électrode supérieure pour en dégager l’accès. La gravure du diélectrique n’est pas obligatoire : la pointe de mesure transpercera facilement les 20 nm d’alumine, la conservation de la couche diélectrique permet de surcroit la limitation des courants de fuites dus au possible court-circuit entre les deux électrodes.

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Figure IV. 2. Seconde partie de la méthode de réalisation de la structure de test : gravure de l’électrode supérieure.

La Figure IV. 2 illustre la méthode de gravure de l’électrode supérieure, le schéma comporte désormais chacune des couches de l’empilement. Tout d’abord, un film sec photosensible d’environ 14 µm d’épaisseur est laminé à la surface de la plaque. Le film sec étant négatif, l’étape de photolithographie permet la réticulation du polymère composant le film sur la surface exposée à l’insolation. Ces parties recouvrant les matrices de via protègent la couche de TiN lors de l’étape de gravure qui suit.

Aucune méthode de gravure du TiN n’étant disponible sur la plateforme du LETI, il a été nécessaire de développer un procédé spécifique afin de graver l’électrode supérieure de la capacité. Cette gravure a été effectuée par plasma, de nombreux tests sur plaques ont permis l’atteinte d’un point de fonctionnement dont les paramètres sont présentés dans le Tableau IV. 1. La gravure du TiN s’effectue en deux étapes distinctes :

- Une première étape dite de « pré-gravure » est nécessaire au retrait de la couche d’oxyde de titane qui se forme naturellement à la surface de la couche de TiN après dépôt, sans quoi la gravure du TiN s’avère difficile. Cette pré-gravure s’effectue à l’aide de Trichlorure de bore (BCl3) et d’argon (Ar) dont les flux sont respectivement de 75 et 100 sccm. La pression de la

chambre est de 50 mTorr et la puissance appliquée au générateur radiofréquence nécessaire à la création du plasma est de 250 Watts. La gravure est effectuée sous un champ magnétique de 30 Gauss.

- La seconde étape consiste en la gravure du TiN. Les gaz injectés dans la chambre sont le Chlore (Cl2) et le Bromure d’hydrogène (HBr) dont les flux sont respectivement de 75 et 45

sccm. La pression de la chambre est de 50 mTorr et la puissance appliquée au générateur radiofréquence nécessaire à la création du plasma est de 250 Watts.

132 BCl3 (sccm) Ar (sccm) Cl2 (sccm) HBr (sccm) Pression (mTorr) Puissance RF (W) 𝑩 ⃗⃗ (Gauss) Pré gravure 75 100 - - 50 250 30 Gravure principale - - 75 45 50 250 0

Tableau IV. 1. Paramètres du procédé de gravure du TiN par plasma.

La Figure IV. 3 représente les résultats de l’analyse EDX1 effectués après l’étape de gravure de l’électrode supérieure. Les pics présents à ~0,5 et 1,5 keV correspondent à la présence d’atomes d’oxygène et d’aluminium dans la couche analysée : cela signifie que la gravure s’est bien arrêtée sur la couche d’alumine. Ce résultat est corroboré par la coupe MEB visible sur la Figure IV. 4 effectuée elle aussi après l’étape de gravure : la couche de TiN supérieure a bien été gravée et la couche d’alumine est toujours présente à la surface de la plaque avec une épaisseur cohérente.

Figure IV. 3. Résultats de l’analyse EDX effectuée après l’étape de gravure du TiN. La surface analysée est visible en encart.

Figure IV. 4. Coupe MEB de la structure effectuée après l’étape de gravure du TiN.

La dernière étape de réalisation de la structure de test consiste au retrait du film sec (ou stripping). Il est effectué par voie chimique à l’aide d’une solution aqueuse d’hydroxyde de tétraméthylammonium de formulation C4H13NO (communément appelé TMAH).

La plaque de 200 mm de diamètre sur laquelle ont été réalisées les structures de test comporte de nombreux motifs différents permettant d’évaluer l’impact de nombreux paramètres de conception, ces motifs sont présentés dans la partie suivante.

2.1.2 Présentation des structures de test

Le jeu de masques2 utilisé pour la réalisation du démonstrateur permet la fabrication de nombreuses matrices différentes sur une même plaque dont les paramètres varient (taille et type de

1

EDX : Energy Dispersive X-ray (Analyse dispersive en énergie)

2

Un jeu de masques correspond à l’ensemble des masques utilisés lors des étapes de photolithographie nécessaire à la réalisation du composant.

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matrices, diamètre des vias, pas de répétition), ainsi que des motifs de MIM planaire, réalisés dans un objectif de comparaison.

La Figure IV. 5 représente le cliché d’un motif de la structure finale effectuée à l’aide d’un microscope optique. La matrice hexagonale visible sur l’image comporte 633 vias de 60 µm de diamètre, le pas de répétition des vias est de 80 µm. Le carré central supportant la matrice présente un côté d’environ 2 mm pour une surface de 4 mm², une marge minimale de 50 µm est présente entre le bord de l’électrode supérieure et les vias. Un pad d’accès permettant la pose de la pointe de mesure sur l’électrode supérieure est visible sur la gauche de la structure, il mesure 120 x 120 µm.

Contrairement aux structures présentées dans les précédents chapitres, l’architecture du composant présent sur ce démonstrateur développé en face avant présente la particularité de comporter une composante planaire. Ainsi, la surface polarisable de la capacité ne provient plus uniquement des flancs et du fond des vias, mais aussi de la partie présente en surface de la plaque, augmentant de ce fait de manière modérée la valeur capacitive de la structure.

Figure IV. 5. Cliché optique de la structure finale vue de dessus.