Etude des mécanismes de gravure des grilles polysilicium en plasma haute densité pour les technologies CMOS submicroniques PDF Download
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Book Description
Ce travail porte sur l'étude de la gravure des grilles en polysilicium de structures MOS largement submicroniques dans les plasmas réactifs haute densité. Dans une première partie sont étudiés les mécanismes de gravure du polysilicium par des plasmas de HBr et Cl2, générés dans un réacteur Helicon. Nous montrons que le modèle de gravure de Mayer et Barker (1982) relie de façon tout-à fait satisfaisante les flux d'ions et de neutres à la vitesse de gravure, dans une large gamme de pression et de densité ionique, et les résultats expérimentaux mettent clairement en évidence la synergie ion/neutre dans la cinétique de gravure. Ensuite, nous proposons une étude des mécanismes à l'origine de la forte sélectivité vis-à-vis de l'oxyde mince d'arrêt (6.0 nm), en même temps que de l'excellente anisotropie de gravure, du fait de l'addition de faibles quantités d'02 dans le plasma. Cette étude débouche sur la mise au point d'un procédé de gravure de grille polysilicium pour la technologie CMOS 0,25 μm en plasma HBr/Cl2/O2. Dans une seconde partie, l'accent est mis sur l'évaluation des défauts électriques introduits par les procédés de gravure grille dans des structures MOS. En particulier, il est montré que la contamination métallique générée par certains réacteurs de gravure dans l'oxyde d'arrêt provoque la dégradation de la durée de vie des porteurs minoritaires du silicium sous-jacent, et qu'une charge d'oxyde positive est créée en bord de grille par le bombardement ionique. L'analyse de la dégradation de l'oxyde de grille par effet d'antenne ("charging") indique un net avantage pour le réacteur Helicon, que nous attribuons (1) à la faible pression de travail et (2) à la faible température électronique au niveau de la plaque, et qui rend les plasmas haute densité de type Helicon attractifs pour l'élaboration des technologies largement submicroniques
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Ce travail porte sur l'étude de la gravure des grilles en polysilicium de structures MOS largement submicroniques dans les plasmas réactifs haute densité. Dans une première partie sont étudiés les mécanismes de gravure du polysilicium par des plasmas de HBr et Cl2, générés dans un réacteur Helicon. Nous montrons que le modèle de gravure de Mayer et Barker (1982) relie de façon tout-à fait satisfaisante les flux d'ions et de neutres à la vitesse de gravure, dans une large gamme de pression et de densité ionique, et les résultats expérimentaux mettent clairement en évidence la synergie ion/neutre dans la cinétique de gravure. Ensuite, nous proposons une étude des mécanismes à l'origine de la forte sélectivité vis-à-vis de l'oxyde mince d'arrêt (6.0 nm), en même temps que de l'excellente anisotropie de gravure, du fait de l'addition de faibles quantités d'02 dans le plasma. Cette étude débouche sur la mise au point d'un procédé de gravure de grille polysilicium pour la technologie CMOS 0,25 μm en plasma HBr/Cl2/O2. Dans une seconde partie, l'accent est mis sur l'évaluation des défauts électriques introduits par les procédés de gravure grille dans des structures MOS. En particulier, il est montré que la contamination métallique générée par certains réacteurs de gravure dans l'oxyde d'arrêt provoque la dégradation de la durée de vie des porteurs minoritaires du silicium sous-jacent, et qu'une charge d'oxyde positive est créée en bord de grille par le bombardement ionique. L'analyse de la dégradation de l'oxyde de grille par effet d'antenne ("charging") indique un net avantage pour le réacteur Helicon, que nous attribuons (1) à la faible pression de travail et (2) à la faible température électronique au niveau de la plaque, et qui rend les plasmas haute densité de type Helicon attractifs pour l'élaboration des technologies largement submicroniques
Author: Anne Le Gouil Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 188
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La diminution des dimensions des transistors MOS, qui permet d'augmenter leur densité sur une puce, induit des effets parasites qui perturbent fortement le fonctionnement des dispositifs. Le silicium et son oxyde jusqu'alors utilisés pour le module de grille des transistors sont remis en question au profit de nouveaux matériaux: des métaux pour la grille, et des matériaux à forte permittivité diélectrique pour le diélectrique de grille. Ce travail porte sur l'élaboration par gravure plasma d'une grille métallique polysilicium/TiN/Hf02 en vue d'une intégration pour les noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. L'analyse des plasmas de gravure halogénés et des surfaces gravées par spectrométrie de masse, spectrométrie de photoélectrons X (XPS) et par des techniques de caractérisation morphologique (MEB, TEM, AFM) a permis de dégager les principaux mécanismes de gravure de TiN. Les stratégies de procédé de gravure de l'empilement de la grille et l'impact des procédés plasma sur l'intégrité des matériaux ont ensuite été discutés. La gravure de TiN en plasma HBr est sélective vis à vis de la couche d'arrêt Hf02 mais elle génère de la pente dans les profils gravés, alors que le plasma de C12, plus réactif, conduit à une gravure latérale de la grille et induit des phénomènes de micro masquage. Cela impose un mélange HBr/CI2 et une gravure a faible énergie de bombardement ionique pour la gravure sélective du métal. La stratégie de gravure du silicium de la grille a du être repensée car l'intégration d'une couche métallique entre le silicium et le diélectrique de la grille modifie la distribution des charges statiques à la surface de la couche d'arrêt, ce qui perturbe le contrôle dimensionnel des profils gravés. De plus la gravure de TiN doit être anisotrope et sélective vis-à-vis de Hf02 tout en respectant l'intégrité de la partie supérieure de la grille en silicium. Ce travail montre que pour éviter la formation d'une encoche latérale à l'interface silicium/métal pendant la gravure du TiN il est nécessaire de contrôler à la fois les couches de passivation qui protègent les flancs du silicium et la composition chimique des dépôts qui recouvrent les parois du réacteur (car cette dernière influence les taux de recombinaison et donc les densités des atomes de CI et de Br dans le plasma). Il est donc important de contrôler les étapes de conditionnement et de nettoyage des réacteurs de gravure.
Author: Anne Le Gouil Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La diminution des dimensions des transistors MOS, qui permet d'augmenter leur densité sur une puce, induit des effets parasites qui perturbent fortement le fonctionnement des dispositifs. Le silicium et son oxyde jusqu'alors utilisés pour le module de grille des transistors sont remis en question au profit de nouveaux matériaux: des métaux pour la grille, et des matériaux à forte permittivité diélectrique pour le diélectrique de grille. Ce travail porte sur l'élaboration par gravure plasma d'une grille métallique polysilicium/TiN/Hf02 en vue d'une intégration pour les noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. L'analyse des plasmas de gravure halogénés et des surfaces gravées par spectrométrie de masse, spectrométrie de photoélectrons X (XPS) et par des techniques de caractérisation morphologique (MEB, TEM, AFM) a permis de dégager les principaux mécanismes de gravure de TiN. Les stratégies de procédé de gravure de l'empilement de la grille et l'impact des procédés plasma sur l'intégrité des matériaux ont ensuite été discutés. La gravure de TiN en plasma HBr est sélective vis à vis de la couche d'arrêt Hf02 mais elle génère de la pente dans les profils gravés, alors que le plasma de C12, plus réactif, conduit à une gravure latérale de la grille et induit des phénomènes de micro masquage. Cela impose un mélange HBr/CI2 et une gravure a faible énergie de bombardement ionique pour la gravure sélective du métal. La stratégie de gravure du silicium de la grille a du être repensée car l'intégration d'une couche métallique entre le silicium et le diélectrique de la grille modifie la distribution des charges statiques à la surface de la couche d'arrêt, ce qui perturbe le contrôle dimensionnel des profils gravés. De plus la gravure de TiN doit être anisotrope et sélective vis-à-vis de Hf02 tout en respectant l'intégrité de la partie supérieure de la grille en silicium. Ce travail montre que pour éviter la formation d'une encoche latérale à l'interface silicium/métal pendant la gravure du TiN il est nécessaire de contrôler à la fois les couches de passivation qui protègent les flancs du silicium et la composition chimique des dépôts qui recouvrent les parois du réacteur (car cette dernière influence les taux de recombinaison et donc les densités des atomes de CI et de Br dans le plasma). Il est donc important de contrôler les étapes de conditionnement et de nettoyage des réacteurs de gravure.
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La miniaturisation des dispositifs CMOS impose d'introduire de nouveaux matériaux dans l'empilement de grille des transistors. Ainsi, l'empilement classique poly-silicium/SiO2 est remplacé par un empilement poly- silicium/métal/matériau à haute permittivité diélectrique. L'introduction de ces nouveaux matériaux nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma. L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma capable de graver une fine couche de diélectrique (HfO2 dans notre cas) sélectivement par rapport au substrat de silicium sous-jacent. Cette étude montre que les plasmas à base de BCl3 sont très prometteurs dans ce domaine. En effet, les mécanismes de gravure en BCl3 reposent sur une compétition entre gravure et formation d'un dépôt de BCl sur la surface. La transition d'un régime à l'autre est contrôlée par l'énergie des ions du plasma. Comme le seuil de gravure en énergie est plus faible pour HfO2 que pour les substrats contenant du Si, il est possible d'obtenir une sélectivité de gravure infinie en ajustant l'énergie des ions judicieusement. De plus ce travail souligne le rôle important du conditionnement des parois du réacteur de gravure dans les mécanismes mis en jeu en plasma de BCl3. Enfin, des procédés de gravure répondant aux problèmes de sélectivité et d'anisotropie de gravure sont proposés pour graver la fine couche de HfO2 de grille.
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La miniaturisation des dispositifs CMOS impose d'introduire de nouveaux matériaux dans l'empilement de grille des transistors. Ainsi, l'empilement classique poly-silicium/SiO2 est remplacé par un empilement poly- silicium/métal/matériau à haute permittivité diélectrique. L'introduction de ces nouveaux matériaux nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma. L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma capable de graver une fine couche de diélectrique (HfO2 dans notre cas) sélectivement par rapport au substrat de silicium sous-jacent. Cette étude montre que les plasmas à base de BCl3 sont très prometteurs dans ce domaine. En effet, les mécanismes de gravure en BCl3 reposent sur une compétition entre gravure et formation d'un dépôt de BCl sur la surface. La transition d'un régime à l'autre est contrôlée par l'énergie des ions du plasma. Comme le seuil de gravure en énergie est plus faible pour HfO2 que pour les substrats contenant du Si, il est possible d'obtenir une sélectivité de gravure infinie en ajustant l'énergie des ions judicieusement. De plus ce travail souligne le rôle important du conditionnement des parois du réacteur de gravure dans les mécanismes mis en jeu en plasma de BCl3. Enfin, des procédés de gravure répondant aux problèmes de sélectivité et d'anisotropie de gravure sont proposés pour graver la fine couche de HfO2 de grille.
Author: FERDINAND.. BELL Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 140
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CE TRAVAIL MONTRE QUE L'UTILISATION D'UN MASQUE DUR D'OXYDE PLUTOT QU'UN MASQUE ORGANIQUE EN RESINE AUGMENTE CONSIDERABLEMENT LA ROBUSTESSE DES PROCEDES DE GRAVURE DE LA GRILLE EN POLYSILICIUM ET PERMET LA GRAVURE DE LA GRILLE SUR DES OXYDES MINCES DE 45 A SANS CREATION DE DEFAUTS STRUCTURAUX DANS LES ZONES ACTIVES. LA GENERATION DE DEFAUTS STRUCTURAUX OBSERVES DANS LE SILICIUM MASSIF DU SUBSTRAT SOUS L'OXYDE DE GRILLE EST ATTRIBUEE AU TRENCHING INDUIT EN BORD DE GRILLE PAR LE PAS DE GRAVURE PRINCIPAL DU PLASMA ET TRANSFERE DANS L'OXYDE DE GRILLE PENDANT LA TRANSITION ENTRE L'ETAPE DE GRAVURE PRINCIPAL ET L'ETAPE DE SURGRAVURE. LE MASQUE OXYDE PERMET D'ELIMINER LA SOURCE DE CARBONE QU'EST LA RESINE DU MASQUE ORGANIQUE QUI DIMINUE LA SELECTIVITE POLYSILICIUM/OXYDE DE GRILLE PAR UN FACTEUR 3 A 4 DANS UNE ZONE OUVERTE. LE MASQUE DUR D'OXYDE PERMET DONC DE DIMINUER LA VITESSE DE TRANSFERT DU TRENCHING DANS L'OXYDE DE GRILLE PAR UN FACTEUR TROIS A QUATRE, D'OU L'AMELIORATION DE LA ROBUSTESSE DU PROCEDE. CETTE ETUDE A EGALEMENT PERMIS DE MONTRER QUE LE NETTOYAGE ET CONDITIONNEMENT DE LA CHAMBRE AVANT GRAVURE PERMET D'ELIMINER TOUTE CONTAMINATION EN CARBONE DANS LA CHAMBRE ET DONC DE GARDER LE BENEFICE DU MASQUE DUR. UNE PART IMPORTANTE DE CETTE ETUDE A ETE CONSACREE A L'ETUDE DE LA GRAVURE DU POLYSILICIUM MASQUE PAR DE LA RESINE EN UTILISANT DES CHIMIES CL#2/HE ET HBR/CL#2/O#2. UNE METHODE ORIGINALE A ETE DEVELOPPEE QUI PERMET DE MESURER PAR XPS L'EPAISSEUR D'OXYDE DE GRILLE DANS DES STRUCTURES REELLES OU LES TECHNIQUES CLASSIQUES SONT INOPERANTES. UNE CORRELATION EST CLAIREMENT ETABLIE ENTRE LA CONSOMMATION D'OXYDE DE GRILLE ET LA CONCENTRATION DE CARBONE SUR L'OXYDE DE GRILLE MESUREE PAR XPS. L'ANALYSE DE LA COMPOSITION DES POLYMERES FORMES SUR LES FLANCS DU POLYSILICIUM ET DU MASQUE OXYDE OU RESINE PENDANT LA GRAVURE DE LA GRILLE AVEC UNE CHIMIE POLYMERISANTE HBR/CL#2/O#2 A EGALEMENT ETE ENTREPRISE PAR XPS. AVEC UN MASQUE EN RESINE, CES ANALYSES MONTRENT QUE LE POLYMERE FORME SUR LES FLANCS DES MOTIFS EST UN OXYDE DONT LA COMPOSITION EST IDENTIQUE SUR LES FLANCS DU POLYSILICIUM ET DE LA RESINE. LA FAIBLE CONCENTRATION DE CARBONE MESURE DANS LE POLYMERE MONTRE QUE CONTRAIREMENT AUX IDEES GENERALEMENT ADMISES, LA PULVERISATION DE LA RESINE DU MASQUE N'INTERVIENT PAS DANS LA FORMATION DU POLYMERE. SA COMPOSITION SUGGERE QU'IL EST FORME A PARTIR DES PRODUITS DE REACTION DE LA GRAVURE DU POLYSILICIUM, CE QUI PERMET DE PREVOIR QUE SON EPAISSEUR DECROIT GRADUELLEMENT LE LONG DU FLANC DU POLYSILICIUM. LE MECANISME PROPOSE PERMET EGALEMENT D'EXPLIQUER LE NOTCHING, DEFAUT D'ANISOTROPIE QUI APPARAIT AU BAS DE LA GRILLE OU LE POLYMERE EST LE PLUS MINCE. UN POLYMERE DE MEME NATURE ET D'EPAISSEUR COMPARABLE EST EGALEMENT OBSERVE SUR LES FLANCS DE LA GRILLE AVEC UN MASQUE DUR D'OXYDE, CE QUI MONTRE QU'IL EST EGALEMENT FORME A PARTIR DES PRODUITS DE GRAVURE DU POLYSILICIUM ET CONFIRME QUE LE MASQUE N'INTERVIENT PAS DANS LA FORMATION DU POLYMERE
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L'industrie de la microélectronique s'appuie sur l'évolution constante de la miniaturisation des transistors. D'ici 2016, cette industrie atteindra le nœud technologique 16 nm dans lequel il faudra être capable de graver des structures de dimensions nanométrique ayant de très forts facteurs d'aspect. Cependant, les procédés de gravure actuels montrent de sérieuses limitations en termes de contrôle des profils et des dimensions critiques lorsqu'il faut graver de telles structures. Les problèmes rencontrés sont liés d'une part à des limitations intrinsèques des procédés plasmas et d'autre part à l'apparition de nouveaux phénomènes lorsque la dimension des structures à graver devient nanométrique. Dans le cadre de cette thèse, un nouveau mode de fonctionnement des sources à plasma est étudié pour développer des procédés de gravure adaptés aux prochaines générations de circuits intégrés : les plasmas modulés en impulsions courtes. Les premiers travaux réalisés s'appuient sur de puissantes techniques d'analyses du plasma (spectroscopie d'absorption VUV, sonde de flux ionique, analyseur électrostatique) dans le but de mettre en évidence l'impact des paramètres de la modulation en impulsion du plasma sur ses caractéristiques physicochimiques (flux et énergie des radicaux et des ions). Ces diagnostics ont tout d'abord permis de définir très clairement les conséquences de la modulation en impulsion du plasma sur les flux de radicaux réactifs qui bombardent le substrat : le rapport de cycle est LE paramètre clé pour contrôler la chimie du plasma car il permet de contrôler le taux de fragmentation du gaz par impact électronique. Dans un second temps, nous avons également démontré que dans les plasmas électronégatifs et pour une puissance RF de polarisation donnée, l'énergie des ions augmente lorsque le rapport de cycle diminue. Fort de ces connaissances fondamentales sur les plasmas, des analyses des surfaces (XPS, MEB, Raman...) ont permis de comprendre les mécanismes mis en jeux lors de l'interaction plasma- surface. Ainsi, il a été possible de développer des procédés de gravure pulsés pour plusieurs étapes de la grille de transistor (prétraitement HBr, gravure du Si-ARC, gravure du pSi). Les prétraitements HBr sont incontournables pour réduire la rugosité de bord de ligne de transistor. Lors de cette étape, une couche riche en carbone limite l'effet bénéfique des UV du plasma sur la diminution de la rugosité. Grâce à l'utilisation des plasmas pulsés, l'origine de cette couche a été mise en évidence : elle résulte du dépôt sur les motifs d'espèces carbonées non volatiles issues de la photolyse de la résine qui sont relâchées dans le plasma. Dans ce système bicouche, les contraintes de la couche carbonée dure vont se relaxer dans le volume mou de la résine par phénomène de « buckling » qui se traduit par une hausse de la rugosité de bord de ligne. Nous avons montré que cela peut être évité en minimisant l'épaisseur de cette couche, ce qui peut être obtenu notamment en pulsant le plasma. La gravure de la couche anti-réflective Si-ARC qui sert de masque dur et celle de la grille en poly Silicium reposent sur l'utilisation de plasmas fluorocarbonés. Mais dans ce type de plasma, la production de précurseurs pour la polymérisation est diminuée quand le plasma est pulsé, conduisant à une perte de sélectivité et d'anisotropie. Les plasmas synchronisés pulsés ne sont donc pas de bons candidats pour les étapes de gravure considérées. Pour pallier à ce problème, un autre mode de polarisation a été étudié : les plasmas pour lesquels seule la puissance de polarisation est pulsée. Dans le cas de la gravure du Si-ARC, il est possible d'obtenir des profils très anisotropes avec une sélectivité vis-à-vis de la résine nettement améliorée. Pour la gravure du Silicium, les effets d'ARDE ont pu être diminués tout en améliorant la sélectivité. Ces résultats sont très encourageants.
Author: Claude Artufel Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 119
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CETTE THESE PORTE SUR L'ANALYSE D'UN SYSTEME PLASMA TRIODE POUR LA GRAVURE DU POLYSILICIUM PAR LE CHLORE. ELLE COMPREND 3 CHAPITRES: LE PREMIER CHAPITRE EST UNE REVUE DES DIFFERENTS PROCEDES ET DES DIVERS SYSTEMES DE GRAVURE PAR PLASMA DANS LA FABRICATION DU SEMICONDUCTEUR. DANS LE DEUXIEME CHAPITRE, NOUS AVONS DECRIT LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL. LA CARACTERISATION DE LA GRAVURE DU POLYSILICIUM PAR LE CHLORE EN FONCTION DES PARAMETRES DU REACTEUR PLASMA TRIODE, NOUS A PERMIS DE DETERMINER UN PROCEDE. PAR L'OBSERVATION DES DIFFERENTS PROFILS DE GRAVURE AVEC LE MICROSCOPE ELECTRONIQUE A BALAYAGE, NOUS AVONS PU EVALUER LES DIFFERENTES CONTRIBUTIONS DES PARAMETRES DE, PRESSION, PUISSANCES DU REACTEUR, SUR L'ANISOTROPIE DE LA DECOUPE DU POLYSILICIUM. UNE ANALYSE PAR SPECTROMETRIE DE MASSE NOUS A PERMIS DE DETERMINER L'ORDRE DE LA REACTION SILICIUM-CHLORE, ET LA PREDOMINANCE DES ESPECES IONIQUES A FAIBLE PRESSION SUR LA GRAVURE DU POLYSILICIUM. DANS LE DERNIER CHAPITRE, NOUS AVONS ETUDIE LES COURANTS IONIQUES DANS LA CHAMBRE DE GRAVURE AVEC DES SONDES ELECTROSTATIQUES, ET CONFIRME LE ROLE PREPONDERANT QUE JOUE LE GENERATEUR HAUTE FREQUENCE APPLIQUE ENTRE L'ELECTRODE SUPERIEURE ET LA PAROI DE LA CHAMBRE POUR LA CREATION DES ESPECES IONIQUES. L'EVALUATION DE LA DENSITE IONIQUE FAITE AU CENTRE DE LA DECHARGE CLASSE LE SYSTEME TRIODE DANS LA CATEGORIE DES PLASMAS TYPE PLANAIRE FAIBLEMENT IONISES
Author: Christophe Vérove
Author: Christophe Vérove
Author: 
Author: Anne Le Gouil
Author: Anne Le Gouil
Author: Elodie Sungauer
Author: Elodie Sungauer
Author: FERDINAND.. BELL
Author: Johann Foucher
Author: Mélissa Brihoum
Author: Claude Artufel