Brevet FR2971363A1 — publié le 20120810

B10855 - 10-GR3-1240 1 PROCEDE DE FABRICATION ET DE RÉOXYDATION D'UN CONDENSATEUR TiN/Ta2O5/TiN Domaine de l'invention La présente invention concerne la fabrication d'un condensateur TiN/Ta205/TiN et plus particulièrement un procédé de réoxydation de la couche de Ta205 après sa formation sur un support de TiN. Exposé de l'art antérieur Des condensateurs de type TiN/Ta205/TiN se sont développés ces dernières années, notamment parce qu'ils sont compatibles avec la fabrication des niveaux de métallisation d'un circuit intégré et que, en raison de la constante diélectrique élevée du Ta205, ils peuvent avoir des capacités élevées pour de petites surfaces. De tels condensateurs sont par exemple utilisés pour constituer les condensateurs de points mémoire de type DRAM, de filtres radiofréquence, ou de convertisseurs analogiques-numériques. Parmi les procédés de formation de tels condensateurs, on a proposé, pour l'élaboration de la couche de Ta205, un procédé de dépôt de couches atomiques assisté par plasma, ce procédé étant couramment désigné par l'appellation PEALD (de l'anglais Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition). B10855 - 10-GR3-1240 2 Ce procédé consiste à alterner des phases de dépôt de tantale à partir d'un précurseur, couramment le produit dit TBTDET à savoir du tertiobutylimido-tris-diéthylamino tantale, et des phases d'application d'un plasma d'oxygène. Ensuite une électrode supérieure de TiN est déposée par tout procédé adapté. Parmi les qualités que l'on attend d'un condensateur, on souhaite notamment qu'il présente un courant de fuite aussi faible que possible, de préférence inférieur à 10-7 A/cm2. On cherche également à minimiser le facteur de relaxation diélec- trique. Ce facteur de relaxation, FR, caractérise la variation de capacité d'un condensateur en fonction de la fréquence et est défini par la relation FR = [C(1kHz) - C(10kHz)]/C. Ainsi, ce facteur caractérise la variation de capacité d'un condensateur entre un fonctionnement à une fréquence de 1 kilohertz et un fonctionnement à une fréquence de 10 kilohertz. Physiquement, ce facteur est lié à la présence de dipôles dans le diélectrique et au temps de relaxation de ces dipôles. Diverses normes fixent les valeurs souhaitées du facteur de relaxation. Les normes actuelles imposent que ce facteur de relaxation soit, en pourcent, inférieur à 0,2 pour un fonctionnement d'un condensateur à 25°C et inférieur à 0,6 pour un fonctionnement d'un condensateur à 125°C. Pour obtenir de telles caractéristiques de courant de fuite et le facteur de relaxation diélectrique, la demanderesse 25 a proposé : - pendant tout le processus de PEALD, de limiter la température dans une plage de 200 à 250°C, - pendant les étapes de dépôt de titane à partir de TBTDET, de limiter la pression partielle de TBTDET dans une plage de 30 0,05 à 5 Pa, de préférence de 0,5 à 2 Pa, de préférence de l'ordre de 1 Pa à 10 % près, et - pendant les phases d'application d'un plasma d'oxygène, de limiter la pression partielle d'oxygène dans une plage de 1 à 2000 Pa, de préférence de 10 à 30 Pa, de préférence à 25 Pa à 35 10 % près. B10855 - 10-GR3-1240 3 La demanderesse a montré qu'il résulte de ces choix des résultats optimisés en ce qui concerne le courant de fuite et le facteur de relaxation diélectrique. Après les étapes de formation de la couche de Ta2O5 sur un support de TiN, on constate qu'il demeure inévitablement encore certains défauts et notamment des lacunes d'oxygène. Il est connu que pour améliorer l'état de la couche de Ta2O5, il est souhaitable de procéder à une réoxydation en fin de processus. Toutefois, l'expérience montre que les réoxydations effectuées jusqu'à présent fournissent des résultats très inhomogènes et peuvent même dégrader certaines caractéristiques, notamment le courant de fuite ou le facteur de relaxation diélectrique du condensateur finalement obtenu. De plus dans le cas de l'intégration de structures MIM (Métal-Isolant-Métal) au niveau des interconnections d'un circuit, la température de traitement doit être effectué à une température inférieure à 400°C, voir inférieure à 350°C pour préserver l'intégrité des interconnexions. Ainsi, il existe un besoin pour améliorer le processus de réoxydation d'une couche de Ta2O5 dans un condensateur de type TiN/Ta2O5/TiN. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé de réoxydation d'une couche de Ta2O5 formée sur un support de TiN qui procure une amélioration de toutes les caractéristiques du condensateur finalement obtenu et notamment qui diminue son courant de fuite et son facteur de relaxation diélectrique. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un condensateur optimisé. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'un condensateur TiN/Ta2O5/TiN comprenant les étapes suivantes : B10855 - 10-GR3-1240 4 former une couche de Ta2O5 sur un support de TiN par un processus de dépôt de couches atomiques assisté par plasma, PEALD ; et soumettre la structure obtenue à un plasma de N2O 5 pendant une durée suffisante pour oxyder la couche de Ta2O5 sans oxyder le support de TiN. Selon un mode de réalisation de la présente invention, pour déterminer ladite durée suffisante, on procède à des essais successifs et on effectue des coupes de la structure Ta2O5/TiN 10 et des analyses de la composition de l'interface, pour déterminer la durée de traitement après laquelle toute la couche de Ta2O5 est réoxydée alors que le support de TiN et l'interface TiN/Ta2O5 ne sont pas atteints. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 pendant l'application du plasma de N2O, la température du substrat est maintenue entre 300 et 400°C. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température du substrat est maintenue dans la plage de 370 à 390°C. 20 Selon un mode de réalisation de la présente invention, pendant l'oxydation par plasma, la pression partielle de N2O est maintenue entre 10 et 3000 Pa. Selon un mode de réalisation de la présente invention, pendant l'oxydation par plasma, la pression partielle de N2O est 25 maintenue entre 400 et 600 Pa. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un condensateur TiN/Ta2O5/TiN dans lequel la zone d'interface entre la couche support de TiN et la couche de Ta2O5 a une épaisseur inférieure à 2 nm. 30 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : B10855 - 10-GR3-1240 la figure 1 représente une couche de Ta2O5 formée sur un support de TiN ; et la figure 2 représente des courants de fuite d'un condensateur TiN/Ta2O5/TiN avant et après réoxydation selon un 5 mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée La figure 1 représente une couche de Ta2O5 obtenue par dépôt de couche atomique assisté par plasma sur un substrat de TiN. Il existe inévitablement une région d'interface 1 entre le TiN et le Ta2O5 comprenant des atomes de titane, de tantale, d'oxygène et d'azote dans des proportions diverses. Le procédé de dépôt de Ta2O5 sur TiN aura été réalisé pour minimiser l'épaisseur de cette couche. Pour la réoxydation de la couche de Ta2O5, on utilise généralement des plasmas d'oxygène en présence d'argon mais l'effet de réoxydation dû aux radicaux d'oxygène est générale-ment contrebalancé par la présence d'argon qui est un réducteur pour le Ta2O5 et on ne réduit pas notablement le nombre de lacunes d'oxygène présentes dans la structure. On est donc amené à utiliser des plasmas d'oxygène pur. L'inconvénient de ces plasmas est qu'ils sont inévitable-ment produits avec une puissance fournie au système de génération de plasma élevée et qu'ils sont extrêmement actifs, c'est-à-dire que des radicaux très énergétiques sont générés. Ainsi, la pénétration d'oxygène dans la couche de Ta2O5 est très peu contrôlable. Ou bien la pénétration n'est pas suffisante et la couche de Ta2O5 n'est pas suffisamment traitée sur toute son épaisseur. Ou bien l'oxygène pénètre jusqu'à la couche de TiN. Classiquement, ceci n'avait pas été considéré comme un inconvé- nient car les oxydes de titane constituent également un diélectrique à forte constante diélectrique. Toutefois, la demanderesse a constaté que la présence de tels oxydes de titane et l'augmentation de l'épaisseur de la couche d'interface dégradait en fait les caractéristiques de B10855 - 10-GR3-1240 6 courant de fuite et le facteur de relaxation diélectrique du condensateur finalement obtenu. Ainsi, la demanderesse propose de réaliser une réoxydation de la couche de Ta2O5 qui s'arrête avec précision au niveau de l'interface Ta2O5/TiN. Pour atteindre ce résultat, la demanderesse propose d'utiliser un plasma oxydant, plus facile à produire avec une basse puissance fournie au système de génération de plasma qu'un plasma d'oxygène pur. Pour cela, la demanderesse propose d'utiliser un plasma de N2O qui est beaucoup moins agressif qu'un plasma de 02 pur. Ainsi, la pénétration de l'oxygène dans la couche de Ta2O5 est contrôlable (de 5 à 120 secondes pour une couche d'épaisseur 50 nm). On peut alors arrêter l'étape d'oxydation sous plasma quand la limite Ta2O5/TiN est atteinte. En pratique, pour régler la machine, on procédera à des essais successifs et on effectuera des coupes de la structure Ta2O5/TiN et des analyses de la composition de l'interface. On peut ainsi déterminer l'instant auquel toute la couche de Ta2O5 est réoxydée alors que la couche de TiN et l'interface TiN/Ta2O5 ne sont pas atteintes. Une fois cet instant déterminé, la machine sera réglée pour fonctionner selon la durée résultant des essais précédents. La figure 2 représente le courant de fuite en ampères par cm2 en fonction du champ électrique appliqué en MV/cm pour une couche de Ta2O5 sur un substrat de TiN. La courbe 20 représente la densité de courant de fuite avant réoxydation et la courbe 22 la densité de courant de fuite après réoxydation. La densité de courant de fuite reste inférieure à 10-7 A/cm2 dans la plage de champs électriques couramment utilisée, de -1 à +1 MV/cm. De plus, la demanderesse a observé que le facteur de relaxation diélectrique, après un traitement de réoxydation tel que décrit ci-dessus, est au moins aussi petit qu'avant ce traitement. Un mode de réalisation particulier du processus de 35 réoxydation consiste à utiliser une température de substrat de B10855 - 10-GR3-1240 7 300 à 400°C, de préférence voisine de 380°C à 5 % près. La pression de N2O pur est de 10 à 3000 Pa, par exemple de 400 à 600 Pa, de préférence de 500 Pa à 10 % près. La puissance du plasma est maintenue à sa valeur minimale pour obtenir une ionisation des gaz plasmogènes. La présente invention vise également le produit constitué d'un condensateur TiN/Ta2O5/TiN dans lequel l'épaisseur de la couche d'interface entre le Ta2O5 et le TiN est inférieure à 2 nm, après le traitement de réoxydation. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un condensateur TiN/Ta205/TiN comprenant les étapes suivantes : former une couche de Ta205 sur un support de TiN par un processus de dépôt de couches atomiques assisté par plasma, 5 PEALD ; et soumettre la structure obtenue à un plasma de N20 pendant une durée suffisante pour oxyder la couche de Ta205 sans oxyder le support de TiN. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour 10 déterminer ladite durée suffisante, on procède à des essais successifs et on effectue des coupes de la structure Ta205/TiN et des analyses de la composition de l'interface, pour déterminer la durée de traitement après laquelle toute la couche de Ta205 est réoxydée alors que le support de TiN et l'interface 15 TiN/Ta205 ne sont pas atteints. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pendant l'application du plasma de N20, la température du substrat est maintenue entre 300 et 400°C. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la 20 température du substrat est maintenue dans la plage de 370 à 390°C. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel pendant l'oxydation par plasma, la pression partielle de N20 est maintenue entre 10 et 3000 Pa. 25 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel pendant l'oxydation par plasma, la pression partielle de N20 est maintenue entre 400 et 600 Pa. 7. Condensateur TiN/Ta205/TiN dans lequel la zone d'interface entre la couche support de TiN et la couche de Ta205 30 a une épaisseur inférieure à 2 nm.