Proposition de nouvelles briques de fabrication

A partir d’un substrat SOI, la couche de silicium est partiellement grav´ee, puis une couche protec-trice de nitrure de silicium est d´epos´ee `a sa surface(´etape 1 `a 3). Une ´etape d’oxydation est ensuite effectu´ee, et seul le silicium non prot´eg´e va s’oxyder, ce qui assure l’isolation ´electrique entre les deux bases de silicium (´etape 4). Un d´epˆot d’oxyde suivi d’une gravure anisotrope verticale permet de for-mer le mur d’oxyde (´etape 5 et 6), la couche de SiN servant de couche d’arrˆet lors de la gravure. Le retrait de cette couche est faite par une gravure s`eche s´elective isotrope (´etape 7).

Les couches de silicium ´etant r´ev´el´es, elles peuvent ˆetre utilis´ees comme couche de reprise pour une croissance ´epitaxiale de silicium de part et d’autre du mur d’oxyde (´etape 8). Apr`es une ´etape de planarisation, le guide est finalement d´efini par des ´etapes de gravure conventionnelles (´etape 9).

Un lot d’´etude utilisant ce proc´ed´e a ´et´e lanc´e en fabrication, et a mis en ´evidence les dimensions importantes du mur d’oxyde, ainsi qu’un manque de reproductibilit´e. Comme le montre la Figure (6.3), l’´epaisseur du mur est fortement variable en fonction de sa hauteur. Le proc´ed´e n´ecessitant plusieurs ´etapes de gravure et d’´etapes de nettoyage, cela conduit `a un contrˆole imparfait de l’uni-formit´e de l’´epaisseur du mur. Les mesures faites sur plusieurs puces montrent que les dimensions de l’´epaisseur du mur `a sa base varient entre 90 nm et 134 nm, pour atteindre 50 nm `a 76 nm `a son sommet.

a) b)

Figure 6.3 – a) Vue SEM du mur d’oxyde apr`es la gravure de l’´etape 7, b) avec la coupe FIB associ´ee. La m´ethode de r´ealisation d’un modulateur capacitif `a partir d’une gravure d’une couche d’oxyde est donc aussi `a ´ecarter.

6.1.2 Proposition de nouvelles briques de fabrication

Pour contourner les difficult´es mentionn´ees pr´ec´edemment, une solution alternative a ´et´e propos´ee pendant cette th`ese. Celle-ci se base sur une gravure du silicium sur la moiti´e du futur guide optique, puis d’une ´etape d’oxydation, suivi d’une ´etape d’´epitaxie de silicium. L’avantage de cette approche est de pouvoir contrˆoler l’´epaisseur d’oxyde thermique `a quelques angstroems pr`es : la croissance de l’oxyde `a partir du silicium ne d´epend principalement que de la temp´erature et du temps de chauffe (param`etres facilement contrˆolables).

En revanche, le point d´elicat de cette approche est d’assurer la croissance du silicium `a partir d’une couche mono-cristalline apr`es l’´etape d’oxydation, tout en gardant intact le mur d’oxyde.

`

A ce titre, deux nouvelles approches ont ´et´e propos´ees pendant cette th`ese pour cr´eer le mur d’oxyde en int´egrant cette ´etape [155]. Les principales ´etapes associ´ees pour chaque approche sont repr´esent´ees Figure (6.4).

Le point cl´e de la premi`ere approche est d’utiliser une gravure `a fort effet de bord (ou effet de “trenching” en anglais), approche not´ee (a) par la suite. L’id´ee est d’exploiter les effets de bord lors de la gravure de silicium, en particulier pour“acc´el´erer” localement la gravure en bordure des cavit´es en silicium. De cette fa¸con, la gravure laisse une fine couche de silicium mono-cristallin au fond de la

cavit´e, except´ee en bordure o`u le BOX est mis `a nu. Ce point est essentiel car il permet d’assurer l’isolement ´electrique entre les deux cot´es en silicium du futur modulateur capacitif.

Apr`es cette ´etape, une ´etape d’oxydation thermique permet de cr´eer le mur d’oxyde vertical. Puis, une gravure anisotrope s´elective permet de retirer la couche d’oxyde form´ee sur la couche mono-cristalline de silicium. La croissance ´epitaxiale de silicium peut ensuite ˆetre r´ealis´ee sur la fine ´epaisseur de silicium, ainsi qu’une planarisation m´ecano-chimique afin d’ajuster la hauteur finale du silicium.

(a) Procédé avec gravure à fort effet de bord

(b) Procédé avec reprise de croissance Si à partir du substrat

Départ sur substrat SOI Départ sur substrat SOI Formation du masque dur

(noté MD), lithographie, puis gravure de la partie

gauche du MD

Formation du masque dur (noté MD), lithographie, puis

gravure de la partie gauche du MD

Gravure du silicium avec fort effet de bord

Gravure du silicium jusqu’au BOX

Oxydation thermique Oxydation thermique

Gravure anisotrope pour retirer l’oxyde de la

couche silicium

Photolithographie et gravure du BOX jusqu’au substrat

Croissance épitaxiale de Si à partir de la couche silicium mono-cristaline

Croissance épitaxiale de Si à partir du silicium du substrat

Planarisation mécanochimique

Planarisation mécanochimique Définition du guide par

lithographie et gravure successives

Définition du guide par lithographie et gravure successives BOX Si Substrat BOX Si Substrat BOX Si ^MD Résine BOX Si ^MD Résine BOX Si MD BOX Si MD BOX Si MD BOX Si BOX Si BOX Si MD Substrat BOX Si MD Substrat Substrat BOX Si MD Résine Substrat BOX Si MD Substrat BOX Si BOX Si Substrat BOX Si cavité Si ^{cavité Si}

Figure 6.4 – Proposition de deux proc´ed´es de fabrication pour r´ealiser un guide optique comportant un oxyde `a haut rapport de forme avec du silicium mono-cristallin. a) avec une gravure `a fort effet de bord, b) avec une reprise de croissance ´epitaxiale de silicium `a partir du substrat.

L’approche (b) consiste `a effectuer la reprise de la croissance de silicium `a partir du substrat de la plaque. L’id´ee est de graver le silicium jusqu’au BOX, puis de cr´eer une s´erie de trous ou de tranch´ees pour atteindre le substrat. L`a encore, une planarisation m´ecano-chimique est faite apr`es la croissance ´epitaxiale.

Par rapport `a ces nouvelles ´etapes, plusieurs points sont `a v´erifier pour assurer la viabilit´e du proc´ed´e :

– pour le proc´ed´e (a), il faut trouver les conditions de fabrication permettant de r´ealiser un effet de bord suffisamment important sur une ´epaisseur de silicium de 220 nm ou 300 nm,

– pour le proc´ed´e (b), il faut d´eterminer la dimension minimale des trous dans le BOX pour assurer la croissance de silicium,

– pour les deux proc´ed´es, il est essentiel de connaitre les conditions physiques optimales d’´epitaxie permettant de r´ealiser correctement la croissance de silicium jusqu’au mur d’oxyde.

Pour v´erifier ces diff´erents points, un premier lot d’´etude a ´et´e lanc´e lors de ma premi`ere ann´ee de th`ese.

R´esultats du premier lot d’´etude

Concernant le proc´ed´e de gravure `a fort effet de bord, l’effet est observ´e sur trois plaques avec des conditions de temp´erature et de pression diff´erentes. Comme le montre la Figure (6.5), `a la limite des possibilit´es d’utilisation des ´equipements de fabrication, une diff´erence de hauteur de silicium grav´ee sup´erieure `a 45 nm en bordure de cavit´e est difficile `a obtenir.

L’effet n’´etant pas assez fort pour atteindre le BOX et assurer une isolation ´electrique entre les deux parties de silicium du future guide, cette approche a ´et´e ´ecart´ee pour la fabrication des modulateurs capacitifs.

42 nm

Si

BOX

SiO2

440 nm

250 nm

Effet de trenching

Figure 6.5 – Vue en coupe FIB montrant l’effet de gravure `a fort effet de bord : la gravure du silicium est plus accentu´ee pr`es du bord de la cavit´e en fonction des conditions de temp´erature et de pression utilis´ees. La diff´erence de gravure observ´ee est ici de 42 nm.

Concernant le proc´ed´e utilisant une reprise d’´epitaxie `a partir du substrat, des motifs tests compor-tant des trous de 0.4x0.4 µm dans un BOX de 2 µm d’´epaisseur ont ´et´e utilis´es (sans donn´ees initiales, le choix de la largeur des trous a ´et´e arbitraire lors de la conception du premier masque). Les photos MEB pr´esent´ees Figure (6.6a) et (6.6b) montrent les motifs de tests apr`es la gravure permettant de cr´eer des cavit´es de 1 µm de large dans le silicium, et apr`es la gravure du BOX pour cr´eer des trous, appel´es vias par la suite.

Une vue en coupe FIB pr´esent´ee Figure (6.6c) montre un exemple de reprise du silicium apr`es l’´etape d’´epitaxie, o`u le remplissage des trous est partiel et irr´egulier. L’espacement et la largeur des vias ne sont pas suffisants ici, car ils finissent par ˆetre bouch´es par du silicium qui s’est d´evelopp´e en

Si Si (substrat) _{Vias 0.4x0.4 µm} 5 µm c) 2 µm a) ^{2 µm b)} Si Si BOX ^BOX BOX (2 µm) Défauts de remplisage Si épitaxié Si épitaxié

Figure 6.6 – a) Photo MEB d’un r´eseau de cavit´e de 1 µm de large dans le silicium apr`es ´etape de gravure, b) Photo du mˆeme r´eseau apr`es l’´etape de gravure du BOX de 2 µm pour r´ealiser des vias d’environ 0.4 µm de diam`etre, c) Vue en coupe FIB d’un r´eseau de vias apr`es ´etape d’´epitaxie.

surface, stoppant la croissance du silicium dans les vias. Pour 2 µm d’´epaisseur de BOX avec des vias de 0.4x0.4 µm de large, le remplissage s’effectue sur une hauteur moyenne d’environ 0.8 µm seulement. Une tentative d’´elargissement des vias de plusieurs centaine de nanom`etres a ´et´e faite pour obtenir un cas plus favorable, mais le proc´ed´e de gravure utilis´e a attaqu´e le mur d’oxyde (qui ´

etait ici d’une dizaine de nanom`etres). De ce fait, la croissance de silicium s’est faite directement sur les flancs de la cavit´e en silicium, empˆechant de conclure sur la dimension critique des vias. Ces r´esultats nous ont toutefois permis de supposer que l’utilisation d’un BOX plus fin, et de vias plus larges permettrait d’obtenir une situation beaucoup plus favorable pour la croissance de silicium.

Suite `a ce premier lot d’´etude, c’est donc le proc´ed´e utilisant la reprise d’´epitaxie `a partir du substrat qui a ´et´e choisi pour la r´ealisation des composants capacitifs. Dans cette optique, un autre lot d’´etude a ´et´e d´evelopp´e pour mettre au point ce proc´ed´e de fabrication. Ce lot inclut des structures passives de type guide Si `a fente d’oxyde et de guide Si segment´e qui seront utilis´ees `a terme dans les modulateurs capacitifs.

Comme les premiers lots de fabrication ont montr´e que des vias de 0.4x0.4 µm dans un BOX de 2 µm ´etaient trop ´etroits pour assurer la croissance du silicium, c’est un BOX de 1 µm qui sera utilis´e, avec une largeur de tranch´ee de 800 nm (cas beaucoup plus favorable).