CHAPITRE 3 Intégration Technologique
3.3 Problématiques liées à l’intégration
3.3.3 Surgravure des jonctions lors de la CMP
La CMP, étape clé du procédé nanodamascène, permettant d’obtenir des structures d’une épaisseur de seulement quelques nanomètres, reste cependant un outil difficile à maitriser. Les principaux effets secondaires de cette technique, détectés au cours de ce projet, sont une diminution de l’épaisseur des jonctions tunnel, et une tendance à la rupture de la jonction entre les motifs créés par photolithographie, et ceux créés par électrolithographie.
La réalisation d’images AFM des dispositifs fabriqués a permis de mettre en évidence une réduction systématique de l’épaisseur des jonctions tunnel par rapport au reste des structures. Si en général on n’observe qu’une diminution de 1 ou 2nm, il arrive de trouver des dispositifs où la différence de hauteur entre les jonctions tunnel et le reste du canal devient significative (Figure 3-27). Il convient de plus de noter que la profondeur mesurée est probablement inférieure à la profondeur réelle, la pointe AFM pouvant se révéler trop large pour atteindre le fond de la tranchée.
Figure 3-27 Image AFM réalisée par D. Albertini (INL) d'une structure MIM, et profil de la jonction tunnel à gauche. On observe une différence de hauteur de près de 4nm entre le point le plus bas de la jonction et le reste du canal
Cette sélectivité de la gravure est problématique. En effet, si les jonctions tunnel sont moins épaisses que l’îlot, elles limitent sa hauteur minimum atteignable par CMP, car un polissage trop poussé les ferait disparaître, coupant de ce fait le circuit. Cette hauteur minimum limite la valeur de l’énergie de charge que sera capable d’atteindre le SET, et donc la température à laquelle il est capable de fonctionner. La correction de ce problème n’est pas triviale, la CMP ayant naturellement tendance à graver le TiO2 plus rapidement que le Ti. Une solution serait de remplacer le TiO2 par de l’Al2O3, dont le taux de gravure est inférieur à celui du TiO2 à pH élevé (Hsu et al., 2002), ou encore de déposer par ALD une couche de TiO2 après CMP afin de reconstruire les jonctions.
Toutefois, ainsi que l’illustre la Figure 3-28, l’amincissement des jonctions a comme effet secondaire avantageux une réduction de leur capacité effective. Les dispositifs produits au cours de ce projet étant à dimensions relâchées, la diminution de l’épaisseur des jonctions a donc probablement mené plus souvent à une augmentation de l’énergie de charge des SETs qu’à leur rupture. Il convient de noter que la capacité finale sera déterminée par le diélectrique encapsulant le SET, et donc prenant la place de l’air dans la Figure 3-28. Suivant sa constante diélectrique, l’amincissement de la jonction résultera ultimement en une diminution de la capacité totale si sa permittivité est inférieure à celle du TiO2, ou supérieure dans le cas contraire.
Figure 3-28 Illustration de la diminution effective de la capacité de la jonction tunnel en TiO2 dans le cas où elle est amincie.
Il a été remarqué par des observations MEB et AFM, que la CMP avait tendance à surgraver les jonctions entre les structures créées lors de la photolithographie, et lors de l’électrolithographie. C’est en particulier la structure pregate qui disparaît la première. Cette structure, réalisée lors de l’électrolithographie, sert à connecter le canal aux chemins d’amenée.
L’origine de ce phénomène n’est en soi pas encore très bien comprise. L’hypothèse d’une double gravure, là où se superposent pregate et chemin d’amenée pourrait fournir une explication, toutefois, les chemins d’amenée étant métallisés, elle ne devrait pas exister. D’autres hypothèses ont été émises, comme de trop grandes variations de hauteur au niveau de la couche de Ti déposée avant CMP, qui engendrerait des zones d’érosion, ou des sections de motifs non adaptées.
Figure 3-29 Image MEB en haut à gauche, de la jonction entre un chemin d'amenée et une pregate. La coupure entre les deux est nettement visible sous la forme d'un trait noir faisant le tour du chemin d'amenée. Image AFM réalisée par C. Nauenheim (UdeS/INRS) d’un dispositif, avec vue 3D en haut à droite, et vue 2D en bas. La vue 3D et le profil de la mesure mettent clairement en évidence la surgravure autour du chemin d’amenée.
Il a été décidé pour la 2ème génération de SETs réalisés sur des substrats CMOS, d’augmenter l’épaisseur de métal déposé avant CMP, et de diminuer la surface des zones de contact entre la pregate et le chemin d’amenée. Nous sommes ainsi passés d’une épaisseur de 80nm de Ti déposé, à 150nm, rendant la surface du dépôt plus uniforme, et la structure des
pregate a été modifiée, leur extrémité réalisant le contact avec le chemin d’amenée étant transformé en peigne. Ainsi, la surface individuelle de contact avec le chemin d’amenée pour chaque ligne du peigne est réduite, ce qui devrait diminuer les risques de rupture, tout en conservant une surface totale élevée, permettant de conserver une conductivité élevée.
Les dispositifs de la 2nde génération observés ne présentent en général pas ou peu de coupure ou de surgravure au niveau de la jonction chemin d’amenée pregate, signe que ces solutions ont bien fonctionné. Toutefois, le pregate reste le premier élément à disparaître lors de la CMP, et reste donc l’élément limitant dans l’effort de diminution de la hauteur du canal (Figure 3-30) dans le cas de dépôts de titane par évaporation. Les dépôts par évaporation, du fait de leur meilleurs conformité, ne semble pas présenter ce problème.
Figure 3-30 Images AFM réalisées par D. Albertini (INL) de la jonction entre une pregate et un chemin d'amenée. La jonction est de très bonne qualité sur l'image de gauche, aucune coupure n'étant visible par AFM. Toutefois, il semble y avoir des coupures importantes sur l'image de droite, ainsi qu’une dégradation du peigne connectant le reste de la pregate au chemin d’amenée. L’image MEB en dessous réalisée à l’UdeS, illustre le problème de coupure prématurée des pregate lors de CMP trop avancées.