L`OXYDE DE TANTALE

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Chap. I : L’OXYDE DE TANTALE
I. INTRODUCTION........................................................................................................................................................7
II. LES MÉTHODES DE PRÉPARATION DE L’OXYDE DE TANTALE.....................................................8
II.1. LES MÉTHODES D’OXYDATION ...........................................................................................................................8
II.1.a. L’oxydation thermique...................................................................................................................................8
II.1.b. L’oxydation anodique ....................................................................................................................................9
II.2. LES DÉPÔTS PHYSIQUES EN PHASE VAPEUR (PVD)........................................................................................10
II.2.a. L’évaporation sous vide..............................................................................................................................10
II.2.b. Les techniques de pulvérisation.................................................................................................................11
II.3. LES DÉPÔTS CHIMIQUES EN PHASE VAPEUR (CVD).......................................................................................12
II.3.a. Le dépôt CVD sous pression atmosphérique (APCVD).........................................................................12
II.3.b. Le dépôt CVD à basse pression (LPCVD)................................................................................................13
II.3.c. Le dépôt CVD assisté photon (Photo-CVD).............................................................................................15
II.3.d. Le dépôt CVD assisté plasma (PECVD)...................................................................................................15
II.3.e. Le dépôt par couche atomique (ALD).......................................................................................................17
III. LES PRINCIPAUX TRAITEMENTS ..................................................................................................................18
III.1. LES RECUITS THERMIQUES CLASSIQUES..........................................................................................................18
III.2. LES RECUITS THERMIQUES RAPIDES.................................................................................................................20
III.3. LES RECUITS SOUS RADICAUX D’OXYGÈNE ....................................................................................................20
III.4. LES TRAITEMENTS AVANT DÉPÔT ....................................................................................................................21
IV. LES DÉPÔTS SUR MÉTAL...................................................................................................................................23
IV.1. LA NON-LINÉARITÉ DES CAPACITÉS MIM.......................................................................................................25
IV.2. LES PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES DES CAPACITÉS MIM ...................................................................................26
IV.2.a. Les électrodes en nitrure de titane (TiN)..................................................................................................26
IV.2.b. Les électrodes en molybdène (Mo) ou nitrure de molybdène (MoN)..................................................27
IV.2.c. Les électrodes en tantale (Ta) ....................................................................................................................28
IV.2.d. Les autres électrodes couramment utilisées.............................................................................................28
IV.2.e. Bilan................................................................................................................................................................29
V. CONCLUSION............................................................................................................................................................30

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I. INTRODUCTION
L’oxyde de tantale a fait l’objet de très nombreux travaux durant ces trente dernières
années en raison des nombreuses applications pour lesquelles il peut convenir [CHANELIERE-
98a]. Grâce à son indice de réfraction élevé et à son faible coefficient d’absorption, le Ta2O5
peut en effet être utilisé comme couche anti-réfléchissante pour les cellules solaires par
exemple [REHG-89]. Il peut également servir de couche protectrice contre la corrosion car il est
résistant à la plupart des attaques chimiques [GRAHAM-94, AN-99]. Les films minces de Ta2O5
ont été utilisés comme couche sensible pour la réalisation de capteurs chimiques (mesure de
pH grâce à leur sensibilité aux ions H+ [TERAVANIN-87]) ou biologiques (détection de protéines
[GEBBERT-92]).
Mais c’est aussi et surtout pour ses propriétés électriques que l’oxyde de tantale a été
intensément étudié, et plus particulièrement ces dix dernières années. En effet, sa constante
diélectrique, d’environ 25 à l’état amorphe, est bien supérieure à celle de SiO2 ou Si
3N4
habituellement utilisés. Un autre atout important du Ta2O5 est qu’il peut être réalisé en
utilisant des équipements actuellement employés sur les lignes de production de l’industrie
microélectronique. Il est donc un excellent candidat en tant que :
• diélectrique dans les dispositifs mémoires de type DRAM (Dynamic Random Access
Memory) car le bon recouvrement du Ta2O5 permet de réaliser des structures
complexes (topologie tridimensionnelle).
• isolant pour les capacités intermétalliques.
Cependant, les propriétés électriques du Ta2O5 dépendent fortement du procédé de
fabrication utilisé. Nous allons donc commencer par rappeler les principales méthodes de
préparation en expliquant les avantages et les inconvénients de chacune d’entre elles. Ensuite,
nous présenterons les principaux traitements réalisés sur les couches d’oxyde de tantale. Et
enfin, nous parlerons des dépôts sur métal en vue de la réalisation de structures capacitives
MIM (Métal/Isolant/Métal).

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II. LES METHODES DE PREPARATION DE L’OXYDE DE TANTALE
Les deux types de préparation les plus courants sont les oxydations et les dépôts en
phase vapeur. Pour l’oxyde de tantale, les méthodes d’oxydation anodique et thermique ont
été les premières utilisées. Puis celles-ci ont été remplacées par les méthodes de dépôt, et
principalement le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Dans ce paragraphe, nous
parlerons tout d’abord des méthodes d’oxydation thermique et anodique. Ensuite, nous
évoquerons différentes méthodes de dépôts physiques en phase vapeur (PVD) telles que
l’évaporation et la pulvérisation. Enfin, nous décrirons le dépôt chimique en phase vapeur
(CVD) ainsi que ses principales techniques dérivées.
II.1. Les méthodes d’oxydation
II.1.a. L’oxydation thermique
Pour obtenir des films d’oxyde de tantale par oxydation thermique, il suffit de chauffer
du tantale massif sous atmosphère oxydante. Dans la plupart des cas, le matériau de départ est
une couche de tantale déposée sur silicium par évaporation [HIRVONEN-76] ou pulvérisation
[SMITH-81, PARK-92]. Celle-ci est alors chauffée à haute température (500-800°C) en présence
d’oxygène.
Cette méthode permet d’obtenir des couches d’oxyde stœchiométriques [HIRVONEN-76],
stables et homogènes en indice de réfraction [SMITH-81]. Cependant, en raison des traitements à
hautes températures, il se produit une interaction entre le film et le substrat qui conduit à
l’incorporation d’atomes de silicium dans l’oxyde [HIRVONEN-76, PARK-92]. Il se forme alors une
couche intermédiaire de Si-O-Ta qui fait diminuer la densité et l’indice de réfraction de la
couche d’oxyde, surtout lorsque celle-ci est très mince [HIRVONEN-76].

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II.1.b. L’oxydation anodique
L’oxydation anodique peut se faire soit dans un électrolyte [METIKOS-86, KALRA-89], soit
en phase gazeuse [JENNINGS-67, HUSTED-71]. Pour les deux procédés, une tension est appliquée
entre une cathode et le substrat servant d’anode, les deux électrodes étant plongées dans la
solution électrolytique ou le gaz. L’équipement nécessaire est donc très simple, ce qui en fait
une méthode attractive car peu coûteuse [DUENAS-99].
Dans le premier cas, différentes solutions telles que les acides citrique, oxalique,
acétique et tartrique ont été testées [KALRA-89]. Il a été observé que la vitesse de croissance de
l’oxyde était constante jusqu’à une tension proche de la tension de claquage. Cette technique
permet d’obtenir, à température ambiante, des couches d’oxyde d’épaisseurs bien contrôlées
[METIKOS-86] et d’indice optique homogène [SMITH-83].
En contrepartie, celles-ci contiennent un grand nombre d’impuretés liées à
l’électrolyte. Celles-ci dégradent fortement les propriétés de l’oxyde (permittivité et indice de
réfraction [EZHILVALA-99c], instabilité en température [DUENAS-99]).
Dans le cas de l’oxydation en phase gazeuse, le substrat en tantale est soumis à un
plasma d’oxygène. Il peut être polarisé positivement par rapport au plasma, permettant ainsi
d’atteindre des vitesses de dépôt plus élevées que par oxydation thermique. [HUSTED-71] a
obtenu des vitesses de l’ordre de 3 nm/min selon cette méthode, alors que les vitesses
d’oxydation thermique sont de l’ordre de 0,3 nm/min [PARK-92] à 0,7 nm/min [SMITH-81].
L’oxydation anodique en phase gazeuse permet également d’éviter les pollutions provenant de
la solution électrolytique tout en conservant des propriétés équivalentes pour l’oxyde
[JENNINGS-67, HUSTED-71]. Un schéma du dispositif nécessaire à l’oxydation en phase gazeuse
est présenté à la Figure I.1.
Le principal inconvénient de cette technique est l’obtention de films d’oxyde
contenant de nombreux pièges à électrons. Il est donc nécessaire de procéder à des traitements
à haute température pour guérir ces défauts. Une solution alternative consiste à utiliser une
cathode électromagnétique [JENNINGS-67] qui permet de confiner les électrons émis par celle-ci
et donc d’augmenter la probabilité qu’ils soient capturés par des atomes d’oxygène.