1 - PLASMA FROID

• 1.1 - Définition d’un plasma froid
  Figure 1 - Illustration des 4 états de la matière de l’eau en fonction de la température
• 1.2 - Grandeurs caractéristiques d’un plasma froid
• 1.3 - Intérêt d’utiliser un plasma froid dans un procédé CVD
  Figure 2 - Illustration des mécanismes réactionnels dans un procédé PECVD
• 1.4 - De l’ALD vers la PEALD
  Figure 3 - De l’ALD (figure de gauche) vers la PEALD (figure de droite)

2 - PEALD

• 2.1 - Réacteurs
  Figure 4 - Exemple de réacteur ALD avec radicaux issus d’un plasma excité dans la fréquence des micro-ondes (d’après H.B. Profijt et al, J. Vac. Sci. Technol. A 29, 050801 (2011) [2], avec la permission de American Vacuum Society) Figure 5 - Exemple de réacteur PEALD avec source inductive (d’après H.B. Profijt et al, J. Vac. Sci. Technol. A 29, 050801 (2011) [2], avec la permission de American Vacuum Society) Traduction des termes anglais : Precursors (précurseurs), Pump (pompage), Plasma gas (gaz plasma), Dielectric tube with coil (tube diélectrique avec antenne) Figure 6 - Exemple de réacteur PEALD capacitif (H.B. Profijt et al, J. Vac. Sci. Technol. A 29, 050801 (2011) [2], avec la permission de American Vacuum Society) Traduction des termes anglais : Plasma gas (gaz plasma), Pump (pompage), Precursors (précurseurs), Electrode with showerhead (électrode avec douchette)
• 2.2 - Avantages des procédés PEALD par rapport aux procédés ALD thermique
  Tableau 1 - Comparaison des gaz réactifs utilisés en PEALD et ceux utilisés en [...] Tableau 2 - Exemples de matériaux déposés par PEALD
• 2.3 - Quelques exemples de l’intérêt de l’assistance plasma
  Figure 7 - Exemple de l’effet du plasma sur la croissance d’une couche mince d’Al2O3 (courbe en unité arbitraire tracée d’après les résultats de Choi et al [3] et Detavernier et al [4]) Figure 8 - Effet du plasma et de la température de dépôt sur la croissance de TiO2 (d’après [2]) Traduction des termes anglais : Deposition temperature (température de dépôt), Growth per Cycle (croissance par cycle), Thermal ALD (ALD thermique) Figure 9 - Impact d’un plasma de H2 sur la croissance et la résistivité d’une couche mince de TaN (d’après H.C.M. Knoops et al, J. Vac. Sci. Technol. A 30, 01A101 (2012) [9], avec la permission de American Vacuum Society). Traduction des termes anglais : Plasma Exposure Time (temps d’exposition au plasma), Atoms per Cycle (atomes par cycles), Resistivity (résistivité) Figure 10 - Précurseur TBTDET utilisé pour le dépôt ALD de TaN Figure 11 - Analyse XPS de couches minces de TaCN élaborées par ALD et PEALD. (HP = forte puissance plasma) [10] (« binding energy » : énergie de liaison ; « intensity » : intensité) Figure 12 - Évolution de la composition chimique de couches minces de TaCN en fonction de la puissance plasma (LP = faible puissance, MP = puissance moyenne, HP = forte puissance) [7] Figure 13 - Impact du plasma sur les caractéristiques électriques (densité de courant J) d’un transistor TaCN/HfO2/SiO2/Si [8]. (EOT signifie Equivalent Oxide Thickness, soit l’épaisseur d’oxyde équivalente) Figure 14 - Intensité des spectres XRD obtenus pour du TiO2 élaboré par ALD à 250 °C en utilisant (a) un mode ALD avec H2O ou (b) un mode PEALD avec plasma O2 [13]. En fonction de l’angle 2theta on voit apparaître des pics liés à la présence d’une phase rutile « R » ou anatase « A » Figure 15 - Images HRTEM (cross-section) des empilements TiO2/RuO2/Ru avec TiO2 déposé par PEALD (image de gauche) et ALD (image de droite) [13] Figure 16 - Réduction du temps de cycle ALD en utilisant le gaz du plasma comme gaz de purge (D’après Choi et al [3]) Figure 17 - Comparaison de cycles ALD (schéma de gauche) et PEALD (schéma de droite) pour le dépôt de Ta2O5 [15]. Traduction des termes anglais : Ar Purge (purge argon), Elementary cycle (cycle élémentaire), Time (temps) Figure 18 - Impact du procédé de dépôt sur les valeurs des courants de fuite en fonction du champ électrique appliqué à une structure MIM TiN/Ta2O5/TiN [15] (« Electrical Field » : champ électrique ; « Leakages Currents » : courants de fuite) Figure 19 - Image TEM (cross-section) d’un transistor avec un espaceur SiN déposé par PEALD à 400 °C (d’après D. H. Triyoso et al, ECS Journal of Solid State Science and Technology 2, N222-N227 (2013) [16], reproduit avec la permission de The Electrochemical Society) Figure 20 - Impact de l’ajout d’une basse fréquence plasma (« low frequency plasma power ») dans un procédé PEALD sur les contraintes de couches minces de SiN (« film stress ») (d’après D. H. Triyoso et al, ECS Journal of Solid State Science and Technology 2, N222-N227 (2013) [16], reproduit avec la permission de The Electrochemical Society) Figure 21 - WER (Wet Etching Rate, vitesse de gravure liquide) de couches minces de SiN en fonction du procédé utilisé (d’après D. H. Triyoso et al, ECS Journal of Solid State Science and Technology 2, N222-N227 (2013) [16], reproduit avec la permission de The Electrochemical Society) Figure 22 - Spectres d’absorption IR des couches minces de SiN déposées par PECVD et PEALD (d’après D. H. Triyoso et al, ECS Journal of Solid State Science and Technology 2, N222-N227 (2013) [16], reproduit avec la permission de The Electrochemical Society) Tableau 3 - Impact de la nature du plasma sur la résistivité et la composition [...]
• 2.4 - Diagnostic in situ OES
  Figure 23 - Spectres OES d’un plasma de O2 obtenu sans (en bleu) et après exposition de la surface à une dose de précurseur Al(CH3)3 (d’après A.J.M. Mackus et al, J. Vac. Sci. Technol. A 28, 77-87 (2010) [19] avec la permission de American Vacuum Society). Dans cette figure sont représentées les intensités des pics d’émission optiques (Intensity) en fonction de la longueur d’onde (Wavelength) Figure 24 - Suivi dans le temps des principales raies d’émission optiques. Le plasma est initié à 0.5s (d’après A.J.M. Mackus et al, J. Vac. Sci. Technol. A 28, 77-87 (2010) [19] avec la permission de American Vacuum Society). Dans cette figure, on suit les intensités des pics (Intensity) en fonction du temps (Time). Figure 25 - Spectres OES d’un plasma de O2 obtenu sans (en bleu) et après exposition de la surface à une dose de précurseur Ta[N(CH3)2]5 (d’après A.J.M. Mackus et al, J. Vac. Sci. Technol. A 28, 77-87 (2010) [19] avec la permission de American Vacuum Society). Dans cette figure sont représentées les intensités des pics d’émission optiques (Intensity) en fonction de la longueur d’onde (Wavelength) Figure 26 - Suivi dans le temps des principales raies d’émission optiques. Le plasma est initié à 0.5s (d’après A.J.M. Mackus et al, J. Vac. Sci. Technol. A 28, 77-87 (2010) [19] avec la permission de American Vacuum Society). Dans cette figure on suit les intensités des pics (Intensity) en fonction du temps (Time). Figure 27 - Évolution dans le temps (exposure time) de l’intensité de la raie d’émission optique de CN à 388 nm (Integrated Intensity) en fonction du temps d’injection de précurseur Ta[N(CH3)2]5 (exposure time) (d’après A.J.M. Mackus et al, J. Vac. Sci. Technol. A 28, 77-87 (2010) [19] avec la permission de American Vacuum Society). Figure 28 - Spectre OES d’un plasma de H2 dans un réacteur PEALD « pollué » par de l’azote. Dans cette figure sont représentées les intensités des pics d’émission optiques (Intensity) en fonction de la longueur d’onde (Wavelength) Tableau 4 - Principales raies d’émission optiques observées dans des plasmas [...]
• 2.5 - PEALD : challenges actuels et futurs
  Figure 29 - Régimes du dépôt ALD Figure 30 - Illustration du processus de recombinaison Figure 31 - Exemple de dépôt sélectif d’Al2O3 en utilisant une fonctionnalisation de la surface de cuivre à l’aide d’un acide phosponique (ODPA) puis une gravure (par bain acide) du diélectrique [30] Figure 32 - Courbe XRR de réflectivité sous incidence rasante (Grazing incidence Angle) permettant de vérifier la croissance sélective d’une couche mince de Ta2O5 sur TiN par rapport à Si et SiO2 [31]. Si une couche mince de Ta2O5 avait été déposée sur Si ou SiO2 on aurait alors observé des arches dans la courbe. Figure 33 - Exemple d’un schéma de réacteur PEALD avec assistance ionique par une polarisation RF (d’après H.B. Profijt et al, J. Vac. Sci. Technol. A 31, 01A106 (2013) [32] avec la permission de American Vacuum Society). Traduction des termes anglais de la figure : Power supply (source de puissance), matching network (boîte d’accord), Plasma gas (gaz plasma), Precursor (précurseur), Reactor (réacteur), Pump (pompage), Substrate stage (porte substrat), Dielectric tube (tube diélectrique) Figure 34 - Fonction de distribution en énergie des ions (ion energy distribution) en fonction de leur énergie (ion energy) dans le réacteur de la figure 33 pour un plasma d’O2 et pour différentes tensions d’auto-polarisation (bias voltage) en surface du substrat (d’après H.B. Profijt et al, J. Vac. Sci. Technol. A 31, 01A106 (2013) [32] avec la permission de American Vacuum Society) Figure 35 - Impact de la tension de polarisation moyenne (Avg. Bias voltage) soit l’énergie des ions sur la vitesse de croissance (growth per cycle) d’Al2O3 et de Co3O4 ainsi que sur la densité des matériaux (mass density) [(d’après H.B. Profijt et al, J. Vac. Sci. Technol. A 31, 01A106 (2013) [32] avec la permission de American Vacuum Society) Figure 36 - Mise en évidence à l’aide d’analyses XRD (X-Ray Diffraction) de l’effet d’un bombardement ionique dans un procédé PEALD sur la nature de la phase cristalline de TiO2. Les pics observés indiquent en fonction de la valeur de l’angle 2theta soit la présence d’une phase rutile « R » soit une phase anatase « A » (d’après H.B. Profijt et al, J. Vac. Sci. Technol. A 31, 01A106 (2013) [32] avec la permission de American Vacuum Society). Tableau 5 - Coefficients de recombinaison de O et H en fonction du matériau [...] Tableau 6 - Facteurs d’aspect max atteignables en PEALD (d’après [24]-[26])

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE