Techniques de fabrication des siliciures band-edge

Nous avons pu mettre en évidence dans les deux parties précédentes l’intérêt que présente une étude détaillée des siliciures band-edge pour les technologies CMOS. Nous allons présenter dans ce paragraphe les différentes techniques de fabrication mises en œuvre dans le cas des siliciures de type p (PtSi), et des siliciures de type n (ErSi1.8).

III.1.1 Equipements utilisés pour le dépôt de métal et le recuit de

siliciuration

Les matériaux étudiés, en particulier les terres rares telles que l’erbium sont particulièrement sensibles au contact à l’atmosphère et s’oxydent rapidement. Une solution couramment utilisée pour éviter ce problème consiste à déposer une barrière à la diffusion de l’oxygène en TiN après le dépôt d’Er. Nous proposons dans cette partie une méthode alternative, consistant à réaliser une séquence de dépôt de métal immédiatement suivie par un recuit sans quitter les conditions d’ultra-vide. Cette méthode nous permet de nous affranchir de toute incertitude liée à une réaction parasite entre l’Er et le TiN.

III.1.1.1

Equipement de dépôt métallique et de recuit séquentiel sous

Ultra-Vide

Nous représentons en Fig. 48 le schéma de principe de l’équipement utilisé pour la réalisation des dépôts métalliques. Cet équipement a été conçu, fabriqué et installé dans la salle blanche de l’IEMN dans le cadre de cette thèse et du projet européen METAMOS. Il se compose de trois parties principales, la chambre d’introduction, l’enceinte d’évaporation, et la chambre de recuit.

La chambre d’introduction permet de charger les échantillons sans avoir à mettre l’enceinte d’évaporation en contact avec l’atmosphère. Un générateur de plasma, à tension continue couplé à une vanne d’arrivée d’argon est présent dans la chambre d’introduction. Sous atmosphère d’argon dans la chambre, deux électrodes permettent d’amorcer un plasma continu. Une troisième électrode, la grille, permet d’accélérer vers l’échantillon les ions Ar+ générés dans le plasma. Cette attaque physique est mise en œuvre à très basse énergie, et permet de nettoyer la surface des échantillons des contaminations résiduelles introduites durant le transfert du bain de nettoyage chimique vers l’équipement. Afin de réduire les risques de contamination, le plasma est amorcé lorsque le vide obtenu par pompage turbo dans la chambre d’introduction atteint 1x10-7 mbar.

Une fois nettoyé, l’échantillon est transféré dans l’enceinte d’évaporation. Cette chambre est maintenue sous ultra-vide (1x10-9 mbar) par pompage cryogénique. La source métallique est placée à environ 1 mètre de l’échantillon. Un canon à électron est focalisé sur la cible métallique, et permet de chauffer celle-ci localement jusqu’à en obtenir l’évaporation. Du fait de la position de la cible et de sa distance à l’échantillon, l’angle de dépôt métallique par rapport à la normale d’un l’échantillon placé en position horizontale est très faible. Le dépôt par évaporation est donc un procédé anisotrope. Six cibles métalliques différentes sont

Chapitre III _ Fabrication et Caractérisation du siliciure d’erbium et du siliciure de platine

disponibles dans l’équipement. L’échantillon étant fixé sur un support permettant un angle d’inclinaison (tilt), ainsi qu’un mouvement de rotation de vitesse variable.

Il est possible de réaliser un traitement thermique dans la chambre de recuit, avant ou après l’étape d’évaporation métallique sans briser les conditions d’ultra vide. L’échantillon est placé sous une série de résistances chauffantes entourées de Nitrure de Bore, permettant de réaliser des recuits de 300 à 700°C, pendant plusieurs dizaines de minutes. Un thermocouple en contact avec le porte-échantillon donne une mesure de la température pendant le recuit. Les rampes de montées en température sont de l’ordre de 20°C/min.

Tilt Rotation e - source métallique Générateur Plasma DC _Argon Sas d’introduction Canne de Transfert Quartz Pompage Turbo Pompage Cryogénique Canne de Transfert CHAMBRE D’INTRODUCTION ENCEINTE D’EVAPORATION CHAMBRE DE RECUIT Resistance Chauffante Thermo- couple Echantillon

Fig. 48 : Schéma de principe de l’équipement d’évaporation utilisé pour les dépôts de métal. Il se compose principalement d’une chambre d’introduction permettant un nettoyage par plasma d’Ar, d’une enceinte d’évaporation et d’une chambre de recuit.

Nous voyons que cet équipement permet de nettoyer l’échantillon, de déposer un métal et de réaliser des traitements thermiques sans quitter les conditions d’ultra-vide. Toutefois, le recuit sous ultra-vide est un procédé long, du fait des quelques heures nécessaires à la descente en température imposées par la grande inertie thermique de la chambre de recuit. Ces contraintes ne justifient l’utilisation du recuit sous ultra-vide que dans le cadre d’applications spécifiques, comme dans le cas des siliciures de terres rares. Dans les autres cas, le recuit peut-être réalisé ex-situ dans un four de recuit rapide.

III.1.1.2

Four de recuit rapide à lampes

Le four de recuit rapide à lampes RTA (Rapid Thermal Annealing), permet des montées en température de l’ordre de 20°C/sec. Des recuits jusqu’à des températures de 800°C pendant plusieurs minutes sont possibles. Le temps de procédé complet est généralement de 10 minutes.

Chapitre III _ Fabrication et Caractérisation du siliciure d’erbium et du siliciure de platine Pompage Primaire Echantillon Pyromètre Thermo- couple Porte- Echantillon Lampes Halogènes N₂H₂ N₂

Fig. 49 : Schéma de principe de la chambre de recuit RTA. Le chauffage est réalisé grâce à des lampes halogènes dans une enceinte maintenue sous gaz réducteur. La température est mesurée en face arrière de l’échantillon par thermocouple ou pyromètre.

Un porte-échantillon, constitué d’un substrat monocristallin de silicium 4 pouces, est maintenu sur trois pointes (Fig. 49). La mesure de température est réalisée grâce à un thermocouple venant contacter le porte-échantillon en face arrière, ainsi que par une mesure pyrométrique face arrière. Du fait de sa précision limitée pour les températures inférieures à 300°C, la mesure pyrométrique est utilisée uniquement de manière indicative. La chambre de recuit est reliée à un système de pompage primaire permettant d’atteindre un vide inférieur à 1 mbar. Deux arrivées de gaz sont disponibles, l’azote (N2) et l’azote hydrogéné (N2:H2;95:5).

L’échantillon est manuellement chargé, et la chambre de recuit est en contact avec l’atmosphère lors du chargement. Cependant, des cycles de pompage alternés avec un remplissage en gaz neutre permet de réduire significativement la concentration d’oxygène dans la chambre.

Une série de lampes halogènes commerciales est disposée au dessus de l’échantillon, et isolée par une paroi vitrée permettant un transfert de chaleur radiatif. La puissance de chauffe est régulée via une mesure de la température.

III.1.2 Séquence de fabrication des siliciures band-edge

Les deux types de métaux permettant la fabrication de siliciures band-edge, terres rares d’un côté (siliciures de type n), platine et iridium de l’autre (siliciures de type p) présentent des comportements chimiques extrêmement différents. Le platine est un métal de transition quasi-noble, dont les propriétés proches de celles de l’or, lui donnent une très grande stabilité chimique. Par conséquent le platine est très peu réactif en général, à l’oxygène en particulier. A titre d’exemple, [Bartlett69] a pu montrer que l’oxydation du platine sous O2

débute pour des températures de l’ordre de 800°C. Au contraire, les métaux de terres rares (Er, Yb) sont connus pour leur forte sensibilité à l’oxygène. Au contact avec l’atmosphère, ces matériaux s’oxydent presque instantanément sur une épaisseur de plusieurs microns.

Par conséquent, considérant les équipements à notre disposition, nous avons pu mettre en place différentes approches technologiques pour la fabrication des siliciures. Les deux

Chapitre III _ Fabrication et Caractérisation du siliciure d’erbium et du siliciure de platine

substrats de Si monocristallin (100) sont chargés dans le sas d’introduction de l’équipement d’évaporation métallique. Une fois un vide de l’ordre de 1x10-7 mbar atteint, un plasma d’Ar est amorcé de manière à réaliser un nettoyage in-situ de la surface de silicium. Les échantillons sont ensuite transférés dans la chambre de dépôt, dans laquelle une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres de métal est déposée par évaporation.

1 - Desoxydation Si (Acide Fluorydrique) 2 - Nettoyage Surface (Plasma Ar) 3 - Evaporation du métal Si ErSi_x; YbSi_x 4a - Recuit sous Ultra Vide Si PtSi Si PtSi 4b - Recuit rapide (RTA) Si Si Si M Si M Séquence Ultra-Vide Fabrication des siliciures de terres rares Fabrication des siliciures de platine

Fig. 50 : Schéma de fabrication des siliciures de terres rares et des siliciures de platine. Dans le cas des terres rares, le nettoyage, l’évaporation métallique et le recuit sont réalisés en restant sous ultra-vide, afin de s’affranchir de toute contamination à l’oxygène.

Dans le cas du siliciure d’erbium, les échantillons sont recuits après dépôt du métal sans quitter les conditions d’ultra-vide. Pour la formation de PtSi, les échantillons sont déchargés de l’équipement après dépôt du Pt, et les siliciures sont formés ex-situ dans un four de recuit rapide à lampes (RTA).

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