Procédé de dépôt des électrodes

2.2.1 Critères de choix du procédé de dépôt des électrodes

Les propriétés du matériau métallique composant les électrodes ont un impact direct sur les performances du composant capacitif. Comme il a été discuté dans le précédent chapitre, la résistivité et l’épaisseur du matériau déposé influent fortement sur l’ESR du composant. De plus, les profondeurs mises en jeu par l’architecture TSC entraînent une conductivité limitée par le transport longitudinal des charges à travers l’électrode inférieure.

Au même titre que pour le diélectrique, la conformité du dépôt des électrodes régit l’épaisseur de ces dernières, une trop faible conformité entrainant une faible épaisseur déposée en fond de via et donc une forte résistance de la couche. Cependant, un surdépôt en haut de via est moins critique que dans le cas du dépôt de diélectrique et n’aura pour effet nuisible que l’augmentation du temps de dépôt.

Le dépôt de TiN peut s’effectuer par PVD1 [75], CVD [76] ou ALD [77] [42]. À l’inverse des techniques de CVD et ALD exposées précédemment, le dépôt par PVD n’implique pas de réaction chimique en surface du substrat: la pulvérisation d’une cible de titane et sa réaction avec l’azote présent dans la chambre permet la formation de TiN en phase gazeuse. Le TiN se condense ensuite

96 sur le substrat, permettant un dépôt à basse température. Cependant, cette technique montre ses limites en intégration 3D lorsque les dépôts sont effectués sur d’importants facteurs de forme tels que dans les TSV. Dans ce cas, même la technique I-PVD (pour Ionized PVD) ne suffit pas à surmonter les problèmes de non-uniformité et de continuité de la couche déposée. A titre d’exemple, une conformité d’environ 6 % d’une couche de cuivre déposé par I-PVD dans un via de 56 x 165 µm (AR ~ 3) a été observée au cours des travaux de thèse.

Parmi les méthodes de dépôt envisageable, le TiN ALD présente les meilleures conformités (proche de 100 % pour un AR 10) ainsi qu’une plus grande pureté des couches déposées [78] [79], toutefois les temps de dépôts élevés peuvent être un frein en termes de coût de production.

Le dépôt de TiN par CVD classique requiert une température de dépôt trop élevée pour être utilisée au sein des niveaux d’interconnexion BEOL (< 400 °C), cependant une méthode alternative de dépôt par Metal Organic CVD1 permet la réalisation de couches à plus basse température (200 °C). L’utilisation d’un précurseur organométallique permet un dépôt à plus faible température, puisque sa température de dissociation est plus faible que celle des halogénures métalliques utilisés comme précurseur pour le dépôt par CVD classique [78]. Cette méthode est notamment utilisée pour la réalisation de barrières à la diffusion du cuivre au sein des TSV.

Dans le cadre de notre étude, deux dépôts de TiN doivent être réalisés dans des matrices de vias profonds. La technique PVD ne permet pas l’obtention d’une couche conforme dans de tels facteurs de forme et les temps de dépôt élevés caractéristiques de l’ALD entraîneraient un surcoût non négligeable du composant. Nous nous sommes donc tournés vers le dépôt de TiN par MOCVD, qui sera présenté dans la prochaine section.

2.2.2 Présentation du procédé de dépôt de TiN par MOCVD

La technique choisie pour le dépôt des électrodes du TSC est le dépôt chimique en phase vapeur à l’aide d’un précurseur organométallique permettant le dépôt d’une couche de TiN à basse température (< 400 °C). Le principe de la technique CVD est illustré sur la Figure III. 3, elle peut être décomposée en cinq étapes comme suit :

Figure III. 3. Principe du dépôt par CVD

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a) Introduction des précurseurs dans le réacteur : Ils sont injectés en même temps dans la chambre, une partie des précurseurs réagissent en phase gazeuse.

b) Transport des espèces vers la surface du substrat : Les précurseurs doivent atteindre la surface du substrat par diffusion.

c) Adsorption et diffusion surfacique : Après avoir atteint la surface du substrat, les espèces réactives sont adsorbées. Cette adsorption dépend de la nature, de la distribution des atomes et de l’état de surface du substrat. Les espèces adsorbées peuvent diffuser à la surface du substrat vers des sites de nucléation, ainsi qu’être désorbées de la surface.

d) Réaction de surface des réactifs : Les espèces adsorbées se dissocient et réagissent entre elles pour former la couche.

e) Désorption des produits volatils de réaction : les produits sont ensuite évacués vers la pompe.

Les films de TiN déposés par MOCVD contiennent certaines impuretés telles que le carbone provenant d’une décomposition incomplète du précurseur. La présence de carbone dans la couche a pour effet l’augmentation de sa résistivité, ce qui est problématique dans notre cas. Afin de réduire la concentration de la couche en carbone, un traitement plasma in-situ composé d’azote et d’hydrogène est effectué en alternance avec le dépôt. Les espèces hydrogénées réagissent alors avec le carbone présent dans la couche déposée afin de former des radicaux volatils évacués vers la pompe. Dans le même temps, l’azote issu du NH3 est incorporé dans le film.

Dans le cas de notre étude, deux types de dépôt de TiN par MOCVD ont été évalués. Le premier, réalisé sur un équipement 200 mm fabriqué par l’équipementier Applied Materials, utilise comme précurseur le Tetrakis(dimethylamino)titanium (ou TDMAT) de formulation C8H24N4Ti conjointement

avec du diazote (N2). Le TiN est alors déposé à 380 °C sous une pression de 3,5 Torrs et le plasma de

N2/H2 est généré par une alimentation haute fréquence de 13,56 MHz.

Le second dépôt évalué dans le cadre de l’étude a été réalisé sur un équipement 300 mm fabriqué par l’équipementier STPS. Le précurseur utilisé est Tetrakis(diethylamido)titanium (ou TDEAT) de formulation C16H40N4Ti ainsi que de l’ammoniaque (NH3). Le TiN est alors déposé à 200 °C

sous une pression de 3 Torrs et le plasma de NH3/H2 est généré par une alimentation fonctionnant à

400 kHz.

L’utilisation du TDEAT permet le dépôt d’une couche de TiN à plus faible température que le TDMAT, permettant ainsi une utilisation du matériau lorsque de faibles budgets thermiques sont nécessaires. C’est le cas du procédé de réalisation de TSV « via-last », où le budget thermique est limité par la température de fusion de la colle utilisée pour fixer le substrat sur la poignée temporaire.

2.3 Caractérisation de l’empilement MIM déposé dans des vias profonds