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RÉSUMÉ
Cet article est une revue de l’utilisation du dépôt par couches atomiques dans le secteur de la microélectronique, en termes d’élaboration de couches minces et de réalisation de composants. Les applications, la chimie des précurseurs, les mécanismes de croissance ainsi que les différents type de réacteurs (avec ou sans assistance plasma) sont décrits.
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Mickael GROS-JEAN : Ingénieur Recherche et Développement - STMicroelectronics, Crolles, France
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Arnaud MANTOUX : Enseignant chercheur - Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP) - Grenoble-INP, CNRS, Université Grenoble Alpes, Grenoble, France
INTRODUCTION
L’ALD est arrivée assez tardivement en microélectronique avec une introduction dans les unités de fabrication de circuits intégrés qui date du début des années 2000. Le principal atout de l’ALD est sa capacité à fabriquer des films très minces avec un excellent contrôle de leur épaisseur, de leur composition chimique et de leur microstructure, que ce soit sur des surfaces planes ou sur des topographies complexes. De plus, de par son principe de saturation de surface, l’ALD n’est pas sensible à la consommation locale, comme c’est le cas avec la technique CVD qui peut conduire à des différences d’épaisseur déposée suivant la densité de motifs. Enfin, la température de dépôt est en général plus faible qu’en CVD, souvent bien inférieure à 400 °C, ce qui la rend compatible avec des empilements sous-jacents fragiles.
Dans cet article sont présentées les différentes applications de l’ALD dans le milieu de la microélectronique, par ordre chronologique d’introduction dans les unités de production. Les divers types d’équipements utilisés sont ensuite décrits, avec une présentation des différentes solutions permettant d’améliorer la rentabilité des procédés, paramètre aujourd’hui capital pour cette industrie devenue mature.
Domaine : ALD, couches minces, microélectronique
Degré de diffusion de la technologie : Croissance
Technologies impliquées : Couches minces en microélectronique
Domaines d’application : Microélectronique
Principaux acteurs français :
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Centres de compétence : CEA – Leti
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Industriel : STMicroelectronics
Autres acteurs dans le monde : Intel, Samsung, TSMC, Micron, Imec, Infineon, NXP
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Les transistors HKMG
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2. Les capacités MIM
La seconde application de l’ALD mise en production concerne les technologies analogiques et radiofréquences, avec l’introduction des capacités Métal/Isolant/Métal (MIM). Ces capacités sont introduites au niveau des interconnexions, entre deux lignes de cuivre (figure 5). Elles sont planaires, car une structure en tranchées prendrait la place de lignes d’interconnexions, ce qui n’est pas souhaitable pour les applications visées. Des tensions importantes sont appliquées à ce type de condensateur, de l’ordre de 5 V (à comparer aux 0,5 – 0,8 V appliqués dans les capacités DRAM). Les couches d’oxyde doivent être suffisamment épaisses, de l’ordre de 40-50 nm, pour que les champs électriques présents dans l’oxyde soient d’environ 1 MV/cm maximum en fonctionnement. L’oxyde de tantale (Ta2O5) a été introduit au début des années 2000, car il possède une constante diélectrique élevée, d’environ 25. Le Ta2O5 permet également d’obtenir une bonne linéarité en tension, c’est-à-dire une très faible variation de la constante diélectrique effective en fonction de la tension appliquée, conduisant à une très faible variation de la capacité, de l’ordre de quelques centaines de ppm lorsque la tension est appliquée à ses bornes. Cette spécificité est nécessaire notamment pour fabriquer des convertisseurs analogiques.
Si la première génération de MIM Ta2O5 a utilisé des couches d’oxyde MOCVD, la technique PEALD a rapidement été introduite, notamment à partir des technologies 65 nm, toutes fabriquées sur plaques 300 mm. L’avantage de la PEALD est de pouvoir déposer des films de meilleure qualité, c’est-à-dire contenant moins de contaminants, ce qui permet d’améliorer les performances électriques (figures 6 et 7).
La technique PEALD permet également de fabriquer des couches à des températures inférieures à 300 °C, ce qui minimise l’interaction du procédé de dépôt avec le TiN sous-jacent, ainsi qu’avec toutes les couches des interconnexions déjà présentes sur les plaques. L’utilisation d’un régime de PEALD modifié permet d’accélérer la vitesse de dépôt,...
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Les capacités MIM
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - WEINREICH (W.) et al - * - J. Vac. Sci. Technol., A31(1), 01A119 (2013).
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(3) - HIGASHI (G.S.) et al - * - Appl. Phys. Lett., 55, 1963 (1989).
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(4) - SOTO (C.) et al - * - J. Vac. Sci. Technol. À, 9, 2686 (1991).
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(5) - PUURUNEN (R.) et al - * - J. Appl. Phys, 97, 121301 (2005).
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(6) - X. ZHAO (X.) et al - * - Phys. Rev. B, 65, 075105 (2002).
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(7) - MIIKKULAINEN (V.) et al - * - J. of Appl. Phys., 113,...
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