Contribution à l'étude des textures dans les couches minces : caractérisation de barrières de diffusion de nitrure de titane

Contribution to texture determination in thin films : caracterisation of titanium nitride diffusion barriers

• Auteur / Autrice : Benoît Moreau
• Direction : Francis Wagner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 1993
• Etablissement(s) : Metz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Texture

Épitaxie

Couches minces

Mots clés libres

Couches minces

Barrières de diffusion

Epitaxie

Résumé

La première partie de l'étude traite de la caractérisation des textures des matériaux polycristallins en couches minces. Les techniques de diffraction X en incidence rasante sont d'usage courant, et le principe est repris dans l'acquisition des figures de pôles afin d'améliorer le rapport signal/bruit et de réduire l'influence de la fluctuation statistique. L'inconvenient de la technique apparait dans la zone centrale manquante des figures de pôles mesurées en incidence réduite. Afin de définir au mieux la fonction de distribution des orientations cristallines, un compromis doit être trouvé entre le gain en qualité de mesure des intensités diffractées et la perte d'information relative à la zone centrale non mesurée. Le problème est traité sur un lot de couches de nitrure de titane d'épaisseurs variant entre 20 et 300 nanométres, déposées par pulvérisation cathodique sur un substrat monocristallin de silicium. Par la suite, les simulations fournissent un outil permettant d'évaluer ce compromis pour tous matériaux (épaisseurs, absorption, textures). Le couple de couches minces Ti(20nm)/Ti(100nm) remplit les spécifications requises par l'industrie microélectronique pour les barrières de diffusion entre métal (Al) et semiconducteur (Si). Dans la suite de l'étude, les caractéristiques microstructurales (texture, contraintes, tailles de grain. . . ) des couches de nitrure de titane sont corrélées aux paramètres de déposition (température du substrat, composition du gaz dans la chambre de déposition), et aux propriétés physiques de résistivité et de diffusion. Pour toutes les couches étudiées, la composante de texture principale du Tin est une fibre 111 dans la direction normale à la surface de la couche. La conclusion porte sur la particularité de certaines barrières de diffusion à présenter une fibre secondaire 311, générée par une relation d'épitaxie avec les plans 10. 1 de la sous-couche de titane

The first part of the study is concerned with the ability of the reduced incidence X-ray diffraction technique to measure pole figures for thin films. In order to improve the statistical noise and the ratio diffracted intensity/background, the volume of irradiated material is increased by measuring poles figures with an asymetric beam path. However, the drawback is that the pole figures become incomplete in the center. To define the orientation distribution fonction, an optimum compromise has to be found between the increase in data quality and the decrease in number of available measurements related to the size of missing zone. The question is investigated on a sqet of titanium nitride layers with thicknesses ranging from 20 to 600 nanometers, sputter-deposited on monocrystalline silicon substrates. Modelling is also carried out, defining a tool which allows to find the optimal measurement conditions for a given material (thickness and texture). Titanuium nitride is used in the microelectronic industry as diffusion barriers between aluminium and silicon in the following layer configuration : Si/Ti (20nm)/TiN(100nm)/Al. In the second part of the study, TiN microstructural features (textures, grain sizes, residual stresses. . . ) are correlated to deposition parameters (substrate temperature, gaz composition), and physical properties (resistivity, diffusion). The main texture component of TiN is a 111 fiber normal to the layer surface for all specimen investigated. The study points out the specificity of some diffusion barriers to grow with a secondary 311 fiber texture. It generates from the epitaxial relationship with the10. 1 planes of the titanium underlayer. This texture feature, linked to the diffusion behaviour of the layer system, leads to an original consideration of the anisotropic nature of the diffusion coefficient