Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Abstract

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

A crucial step in the fabrication of high-frequency MEMS is the etching of the columnar AlN thin film acting as the piezoelectric material. Realized in close collaboration with researchers from Teledyne Dalsa, the objective of this master thesis is to better understand the physico-chemical mechanisms driving the etching kinetics and damage formation dynamics during etching of AlN in Ar/Cl2/BCl3 plasmas. In the first set of experiments, we have studied the influence of the operating parameters of an inductively coupled plasma on the number density of the main etching species in such plasmas, namely positive ions and Cl atoms. These measurements were then correlated with the etching characteristics, in particular the etching rate, the surface roughness, and the chemical properties of the AlN layer after etching. In Ar/Cl2 plasmas, our work has highlighted the inhibition effect of AlO, a compound formed during the AlN growth by reactive magnetron sputtering and not from plasma-wall interactions or from the incorporation of moisture in the columnar nanostructure of AlN. In presence of small amounts of BCl3 in the Ar/Cl2 plasma, we have observed a significant increase of the etching yield of AlN due to the formation of volatile BOCl compounds. Furthermore, our work has demonstrated that there are two levels of roughness following etching: a lower roughness produced by the presence of AlO in Ar/Cl2 plasmas which is independent of the etching rate and a larger roughness due to preferential desorption of Al in Ar/Cl2/BCl3 plasmas which increases linearly with the etching rate.