Mise au point et optimisation d'étapes de gravure par plasma dans la fabrication de procédés BiCMOS haute fréquence PDF Download
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Book Description
Cette thèse est consacrée à l'étude de deux étapes de gravure par plasma intégrés à de étapes technologiques importantes dans la fabrication des circuits intégrés. La première concerne la réalisationde zones d'oxydes de silicium enterrées, qui permettent d'isoler électriquement les zones actives des composants. L'oxyde de silicium croît dans une tranchée gravée dans le silicium. Les zones actives sont alors protégées par une couche de nitrure de silicium, déposée sur une couche d'oxyde tampon. Le programme mis au point permet de graver sur un même équipement ces deux couches puis de réaliser la tranchée dans le silicium. Le nitrure et le silicium sont gravés dans un plasma de SF6, et une recette de gravure de l'oxyde de silicium dans un plasma de CF4 a été développée pour remplacer la gravure humide. Les caractéristiques électriques des composants fabriqués ont été détériorées lors de la mise en place de ce nouveau programme de gravure, et les condition de gravure du silicium ont dû être ajustées pour compenser la différence de profil observée. La seconde étude concerne la gravure du premier niveau d'interconnexions d'un procédé. Ce niveau métallique est composé d'une couche de WTi sur laquelle est déposée une couche d'AlCu. Sous ces couches métalliques, une fine couche d'oxyde protège les bandes de polysilicium. L'AlCu est d'abord gravé par plasma Cl2/BCl3/N2, puis le WTi est gravé par voie humide dans une solution de péroxyde d'hydrogène. La sélectivité est donc très importante. Le but de cette étude a été de mettre au point un programme permettant de graver la couche de WTi par plasma dans le réacteur T.C.P. sur lequel la couche d'AlCu est gravée.
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Cette thèse est consacrée à l'étude de deux étapes de gravure par plasma intégrés à de étapes technologiques importantes dans la fabrication des circuits intégrés. La première concerne la réalisationde zones d'oxydes de silicium enterrées, qui permettent d'isoler électriquement les zones actives des composants. L'oxyde de silicium croît dans une tranchée gravée dans le silicium. Les zones actives sont alors protégées par une couche de nitrure de silicium, déposée sur une couche d'oxyde tampon. Le programme mis au point permet de graver sur un même équipement ces deux couches puis de réaliser la tranchée dans le silicium. Le nitrure et le silicium sont gravés dans un plasma de SF6, et une recette de gravure de l'oxyde de silicium dans un plasma de CF4 a été développée pour remplacer la gravure humide. Les caractéristiques électriques des composants fabriqués ont été détériorées lors de la mise en place de ce nouveau programme de gravure, et les condition de gravure du silicium ont dû être ajustées pour compenser la différence de profil observée. La seconde étude concerne la gravure du premier niveau d'interconnexions d'un procédé. Ce niveau métallique est composé d'une couche de WTi sur laquelle est déposée une couche d'AlCu. Sous ces couches métalliques, une fine couche d'oxyde protège les bandes de polysilicium. L'AlCu est d'abord gravé par plasma Cl2/BCl3/N2, puis le WTi est gravé par voie humide dans une solution de péroxyde d'hydrogène. La sélectivité est donc très importante. Le but de cette étude a été de mettre au point un programme permettant de graver la couche de WTi par plasma dans le réacteur T.C.P. sur lequel la couche d'AlCu est gravée.
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CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS LE CADRE DU TRANSFERT DE NOUVEAUX PROCEDES BICMOS DANS LE SITE DE PRODUCTION DE PHILIPS SEMICONDUCTEURS A CAEN. L'OBJECTIF ETAIT DE COMPRENDRE LES MECANISMES DE LA PHOTOLITHOGRAPHIE AFIN DE METTRE AU POINT DES PROCEDES DE PRODUCTION ROBUSTES. LE CHOIX OPTIMAL DES PARAMETRES CRITIQUES (EPAISSEUR DE LAQUE, ENERGIE D'INSOLATION, NIVEAU FOCAL) A PERMIS DE METTRE SOUS CONTROLE LA REALISATION DE MOTIFS SUBMICRONIQUES (0.75M). PAR AILLEURS, UNE METHODE DE CARACTERISATION D'UNE COUCHE ANTI-REFLETS A ETE DEVELOPPEE AFIN D'AMELIORER LA QUALITE DE LA PHOTOLITHOGRAPHIE DES NIVEAUX D'INTERCONNEXIONS. LA MISE EN PLACE DE CETTE COUCHE A PERMIS DE SUPPRIMER LES EFFETS DES REFLEXIONS PARASITES (INDUITES PAR LA TOPOGRAPHIE) ET DE REDUIRE L'AMPLITUDE DES VARIATIONS DE DIMENSIONS EN FONCTION DE L'EPAISSEUR DE LAQUE. CEPENDANT, A CE STADE, UN NOUVEAU PROBLEME EST APPARU : DES BANDES DE LAQUE SE SONT TROUVEES DECOLLEES ET AMINCIES DUE A UN PHENOMENE QUALIFIE DE POPPING. CE PROBLEME A ETE RESOLU GRACE A L'INTRODUCTION D'UN DELAI ENTRE L'ETAPE D'EXPOSITION ET LE RECUIT, CE QUI A PERMIS D'AMELIORER LES RENDEMENTS ELECTRIQUES FINAUX DE 5 A 10%.
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CETTE ETUDE VISE A UNE MEILLEURE COMPREHENSION DES MECANISMES DE GRAVURE PAR PLASMA DES MATERIAUX POUR REALISER LES INTERCONNEXIONS EN MICROELECTRONIQUE SILICIUM (AL ET SIO 2). LES PRINCIPALES TECHNIQUES DE CARACTERISATION EMPLOYEES SONT LA SPECTROSCOPIE DE PHOTO-ELECTRONS X (XPS) IN-SITU ET L'ANALYSE PAR FLUORESCENCE X (WDXRF) PERMETTANT DE REALISER DES ANALYSES DE SURFACE. L'EMISSION OPTIQUE A ETE UTILISE POUR CARACTERISER LA PHASE GAZEUSE DU PLASMA. DANS LE CAS DE LA GRAVURE DE LIGNES D'ALUMINIUM EN PLASMA CL 2/BCL 3, L'ANALYSE PAR XPS MONTRE QUE L'ANISOTROPIE DE GRAVURE EST OBTENUE GRACE A LA FORMATION D'UNE COUCHE DE PASSIVATION CONSTITUEE DE CARBONE DE LA RESINE REDEPOSEE SUR LES FLANCS DES MOTIFS. LE CHLORE RESIDUEL PRESENT DANS LE FILM DE PASSIVATION EST QUANTIFIE PAR XPS ET WDXRF APRES TRAITEMENTS ANTICORROSION. CES TECHNIQUES PERMETTENT DE QUANTIFIER ET DE LOCALISER LE CHLORE RESIDUEL SUR LES LIGNES APRES TRAITEMENTS ANTICORROSION. PARALLELEMENT A CES ETUDES, UN PROCEDE DE GRAVURE PERMETTANT DE REDUIRE LA CONSOMMATION RESINE A ETE DEVELOPPE. L'ACTINOMETRIE ET LES MESURES DE SONDE ELECTROSTATIQUE ONT PERMIS DE CARACTERISER LA PHASE GAZEUSE DU PLASMA FONCTIONNANT DANS UN REGIME BASSE DENSITE ET, UN MODELE BASE SUR CES MESURES EST PRESENTE EXPLIQUANT LA DIMINUTION DE LA CONSOMMATION RESINE. LA DEUXIEME PARTIE DE CE TRAVAIL PRESENTE LES RESULTATS DES ANALYSES XPS REALISEES DANS DES TROUS DE CONTACT A FORT FACTEUR D'ASPECT GRAVES DANS DEUX SOURCES INDUSTRIELLES. CETTE ETUDE PERMET DE CARACTERISER LES POLYMERES FLUOROCARBONES DEPOSES AU FOND DES MOTIFS EN FONCTION DU FACTEUR D'ASPECT. L'ANALYSE TOPOGRAPHIQUE CHIMIQUE PAR XPS PERMET D'ANALYSER LA COMPOSITION ET L'EPAISSEUR DU FILM FLUOROCARBONE EN FONCTION DES PLASMAS DE GRAVURE. A L'ISSU DE CES ANALYSES, UN MODELE BASE SUR L'INFLUENCE DES EFFETS DE CHARGE LOCAUX EST PRESENTE PERMETTANT D'EXPLIQUER LES MECANISMES DE GRAVURE DE L'OXYDE DANS LES DIVERSES SOURCES PLASMA UTILISEES DANS CETTE ETUDE.
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CE TRAVAIL DE THESE EST CONSACRE A LA MISE AU POINT D'UNE TECHNIQUE DE GRAVURE SECHE DU MATERIAU INP ET DE SES COMPOSES GAINAS ET ALINAS, DESTINEE A LA REALISATION DE COMPOSANTS MICROELECTRONIQUES SUR INP. L'EXPLORATION DES CONDITIONS DE GRAVURE DU MATERIAU INP PAR PLASMA CH#4/H#2 A PERMIS D'IDENTIFIER LES MECANISMES DE GRAVURE ET DE DEGAGER UN PROCEDE DE GRAVURE ANISOTROPE TOUT EN EVITANT UNE DEGRADATION DE LA MORPHOLOGIE DE SURFACE. TOUTEFOIS L'INSERTION D'UN TEL PROCEDE DANS LA TECHNOLOGIE DE FABRICATION DE CIRCUITS OPTOELECTRONIQUES INTEGRES A NECESSITE UNE IDENTIFICATION DE LA NATURE ET DE LA PROFONDEUR DES DEFAUTS CREES PAR LA GRAVURE. PAR UN TRAITEMENT CHIMIQUE APPROPRIE, IL EST POSSIBLE DE RESTAURER LES PROPRIETES DU MATERIAU INP AVANT GRAVURE. NOUS AVONS VALIDE CETTE MISE AU POINT A TRAVERS LA GRAVURE DE CAISSONS DANS L'INP DESTINES A L'EPITAXIE DE PHOTODIODES PIN ENTERREES. LA QUALIFICATION DES CONDITIONS DE GRAVURE IONIQUE REACTIVE DU MATERIAU GAINAS ET ALINAS A ETE ETUDIEE EN VUE D'UNE APPLICATION DE LA RIE CH#4/H#2 AUX GRAVURES DES RECESS DE GRILLE DES TRANSISTORS HFET ET HEMT SUR INP. CETTE MISE AU POINT A ETE AXEE SUR LA RECHERCHE D'UNE SELECTIVITE DE GRAVURE ENTRE GAINAS ET ALINAS ET SUR LA MINIMISATION DES DEFAUTS INDUITS DANS CES MATERIAUX. NOUS AVONS MONTRE QUE CETTE TECHNIQUE S'APPLIQUE AVEC PROFIT AU RECESS DE GRILLE DES HFET A CANAL INP. ELLE PERMET DE REDUIRE LES RESISTANCES D'ACCES DU TRANSISTOR, CE QUI AMELIORE LA TRANSCONDUCTANCE ET LE BRUIT EN 1/F. CES RESULTATS ONT ETE VALIDES PAR LA REALISATION D'UN PHOTORECEPTEUR 2,5 GBIT/S DONT LA SENSIBILITE SE SITUE A L'ETAT DE L'ART. L'APPLICATION DE CETTE TECHNIQUE AU HEMT GAINAS INDIQUE QUE CETTE STRUCTURE EST PLUS SENSIBLE AU BOMBARDEMENT IONIQUE: LES DEFAUTS CREES ENTRAINENT UNE AUGMENTATION DES FUITES DE GRILLE. L'UTILISATION D'UN PLASMA ICP CARACTERISE PAR UN CONTROLE SEPARE DE LA DENSITE ET DE L'ENERGIE DES ESPECES GAZEUSES PERMET DE REDUIRE L'ENERGIE DES IONS INCIDENTS. AINSI, NOUS AVONS REALISE DES HEMT PERFORMANTS PRESENTANT DE FAIBLES COURANTS DE FUITE ET UNE TENSION DE CLAQUAGE DE GRILLE ELEVEE
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La réalisation de dispositifs à des dimensions sous-micrométriques et nanométriques demande une maîtrise parfaite des procédés de fabrication, notamment ceux de gravure. La réalisation des ces dispositifs est complexe et les exigences en termes de qualité et de géométrie des profils de gravure imposent de choisir les conditions opératoires les mieux adaptées. Les simulations de l'évolution spatio-temporelle des profils de gravure que nous proposons dans cette thèse s'inscrivent parfaitement dans ce contexte. Le simulateur que nous avons réalisé offre la possibilité de mieux comprendre les processus qui entrent en jeu lors de la gravure par plasma de profils dans divers matériaux. Il permet de tester l'influence des paramètres du plasma sur la forme du profil et donc de déterminer les conditions opératoires optimales. La mise au point de ce simulateur s'appuie sur les concepts fondamentaux qui gouvernent la gravure par plasma. À partir de l'état des lieux des différentes approches numériques pouvant être utilisées, nous avons élaboré un algorithme stable et adaptable permettant de mettre en évidence l'importance de certains paramètres clés pour la réalisation de profils de gravure par un plasma à haute densité et à basse pression. Les capacités de cet algorithme ont été testées en étudiant d'une part la pulvérisation de Si dans un plasma d'argon et d'autre part, la gravure chimique assistée par les ions de SiO2/Si dans un plasma de chlore. Grâce aux comparaisons entre profils simulés et expérimentaux, nous avons montré l'importance du choix de certains paramètres, comme la nature du gaz utilisé et la pression du plasma, la forme initiale du masque, la sélectivité masque/matériau, le rapport de flux neutre/ion, etc. Nous avons aussi lié ces paramètres à la formation de défauts dans les profils, par exemple celle de facettes sur le masque, de parois concaves, et de micro-tranchées. Enfin, nous avons montré que le phénomène de redépôt des atomes pulvérisés entre en compétition avec la charge électrique de surface pour expliquer la formation de profils en V dans le Pt pulvérisé par un plasma d'argon.
Author: Jérôme Lenormand
Author: Jérôme Lenormand
Author: KARINE.. MATHURIN
Author: Christian Trassy
Author: Joseph Taillet
Author: PASCAL.. CZYPRYNSKI
Author: MOHAND.. ACHOUCHE
Author: Jérôme Saussac