Caractérisation de la couche d’un SiN LPCVD modifiée par un implant d’hydrogène

Un plasma est un gaz constitué d’espèces neutres, d’ions et d’électrons et qui est globalement neutre à l’échelle macroscopique. Ce terme est énoncé la première fois par le physicien Irving Langmuir en 1928 [Langmuir 1928]. Souvent appelé le 4eme état de la matière (avec les états : solide, liquide, gazeux), le plasma représente 99% de la matière de l’univers tel qu’on le connait. Dans le cas des étoiles, la matière se trouve à très hautes températures permettant aux molécules de se dissocier en atomes sous l’effet des collisions, ces atomes sont ensuite dissociés en ions positifs et en électrons formant un plasma.

Les plasmas utilisés en microélectronique, sont confinés dans des réacteurs à basse pression (du mTorr au Torr). Le plasma est formé en utilisant des gaz à basse température. Effectivement les électrons du gaz sont accélérés à des énergies de plusieurs dizaines d’eV en appliquant un champ électrique, induisant des collisions inélastiques avec les espèces neutres constituant le gaz. Des paires ion-électron sont formées par ces collisions ionisantes compensant les pertes de ces paires sur les parois du réacteur. La notion de quasineutralité du plasma à l’échelle macroscopique impose une égalité de la densité des espèces positives et négatives :   + = +   − ou ni+, ni-, et ne représentent respectivement la densité d’ions positifs, la densité d’ions négatifs et la densité d’électrons. En considérant la densité d’ions négatifs négligeable, l’égalité suivante peut être énoncée : ≈ ≈ 0 . La neutralité du plasma est assurée par des forces électrostatiques auto-générées : un champ électrique est formé dans le plasma lorsqu’une charge d’espace apparaît, permettant de rétablir la neutralité du plasma. À une échelle plus petite le plasma ne peut plus être considéré comme neutre : cette distance caractéristique est la longueur de Debye : 0 =√ 02

Un plasma est principalement défini par les propriétés de ses espèces chargées : la densité électronique ne, la température électronique Te correspondant à l’énergie des électrons, et le degré de ionisation : = +

ou ng représente la densité d’atomes de gaz neutres liée à la pression P dans le réacteur : = .

Deux types de plasmas sont classés en fonction du degré d’ionisation :

– Un plasma fortement ionisé : degré d’ionisation α = 1 correspond à un « plasma chaud ».

– Un plasma faiblement ionisé : degré d’ionisation α << 1 correspond à un « plasma froid »

Ce sont les plasmas froids qui sont utilisés en microélectronique dans le cadre de : dépôts, gravures, traitements de surface.

Durant cette thèse deux types de réacteurs produisant des plasmas froids à basse pression ont été utilisés :

– Un réacteur à couplage capacitif CCP (Capacitively Coupled Plasma), est composé de deux électrodes alimentées en puissance RF au sein desquelles est confiné le plasma. Un champ électrique entre les électrodes est formé, permettant de fournir de l’énergie aux électrons pour créer et maintenir un plasma. Une forte accélération des ions vers la surface des électrodes est induite par la tension RF appliquée sur ces dernières. La densité du plasma n’est par conséquent pas élevée

(<1011ions/cm3) avec ce type de réacteurs étant donné qu’une partie importante de la puissance RF est absorbée par les ions plutôt que par les électrons responsables de l’ionisation.

– Un réacteur à couplage inductif ICP (Inductively Coupled Plasma), est composé d’une inductance en spirale alimentée en puissance RF reposant sur la partie supérieure du réacteur. L’énergie fournie au plasma est assurée par induction électromagnétique.

Le faible taux d’ionisation dans les deux types de réacteur, entraîne que les ions et les radicaux sont formés essentiellement grâce aux collisions entre les électrons et les molécules qui composent le plasma. Les ions sont guidés par la moyenne du champ électrique se situant dans la gamme RF (13.56MHz dans notre réacteur), alors que les électrons ayant une masse très inférieure suivent l’évolution temporelle du champ électrique. Ce phénomène est expliqué par la pulsation plasma des électrons ωpe et des ions ωpi: 22 = √= √ 00

La masse des électrons étant très inférieure à celle des atomes : ωpe > ωRF > ωpi explique que la variation instantanée du champ électrique est suivie par les électrons et non par les ions. En suivant ces variations, les électrons absorbent la puissance injectée et sont excités à une température élevé Te supérieure à 3 eV soit plus de 34800 K. Les ions étant de leur côté trop lourds pour absorber la puissance injectée, leur température est proche de celle du gaz, de l’ordre de 1000K.

La différence de masse entre les électrons me les ions mi (me << mi) induit une différence très importante de flux thermique qui est orienté vers les parois du réacteur. Une quantité plus importante d’électrons que d’ions est perdue par le plasma de par la différence de flux thermiques entre les deux espèces : Γe >> Γi. Comme dit dans le paragraphe précédent, les forces électrostatiques auto-générées par les éléments chargés permettent au plasma de rester électriquement neutre. En réponse à cette perte électronique une zone de charge d’espace limitant la perte d’électrons est formée : la gaine. Les parois du réacteur se chargeant négativement par rapport au plasma, les électrons sont confinés par un champ électrique normal aux parois, alors que les ions positifs sont accélérés vers les surfaces.

En effet, le déplacement des ions positifs est orienté dans le sens du champ électrique et ces ions sont accélérés dans la gaine jusqu’à atteindre une vitesse supérieure à la vitesse de Bohm. Le critère de Bohm est ainsi respecté pour que la gaine s’établisse tel que: = √

Un champ électrique d’une énergie Te/2 est établi entre le plasma et la gaine afin que la vitesse de Bohm soit atteinte, cette zone est appelée pré-gaine. Les ions à l’entrée de la gaine ont une vitesse égale à la vitesse de Bohm. La surface est ainsi bombardée par un flux ionique correspondant au flux de Bohm : Γ = .

La valeur ni représente la densité ionique à l’entrée de la gaine, induisant en régime stationnaire un ajustement de la différence de potentiel de la gaine de façon à équilibrer le flux d’ions et d’électrons perdus sur les parois : Γ = Γ . Si la chute de potentiel dans la pré-gaine est prise en compte la différence est exprimée de la façon suivante : − = 2   [1 +  (2    )]

A titre d’exemple la différence de potentiel dans la gaine est 12 V dans le cas d’un plasma d’hydrogène où = 3 et la masse des ions H3+ = 3 et de 19V pour = 5 .

La gravure des matériaux fait appel à la vitesse directionnelle des ions, or l’énergie cinétique fournie par la différence de potentiel entre le plasma et les parois est trop faible. En réponse à ce problème une tension négative est appliquée sur le substrat permettant d’augmenter l’énergie cinétique fournie aux ions dans la gaine. Une tension RF sinusoïdale est appliquée sur le substrat à une fréquence de 13.56 MHz, provoquant l’apparition d’une polarisation DC en surface : c’est le phénomène d’autopolarisation. La forte mobilité des électrons impose, afin de maintenir la quasi-neutralité du plasma, que le potentiel en surface ne puisse dépasser celui du plasma.

La moyenne de la tension en surface est telle que : < 0, s’ajustant de façon à égaliser le flux d’ions et d’électrons sur la surface. Comme énoncé précédemment les ions dont la masse est importante ne sont soumis qu’à la moyenne d’un champ électrique, leur conférant une énergie en sortie de gaine : =   (   − ), contrôlant l’énergie des ions arrivant sur le substrat.

Les espèces constituantes d’un plasma (ions, radicaux, électrons, et atomes) sont à l’origine de plusieurs mécanismes collisionnels [Chabert & Braithwaite2011]. Deux types de collisions peuvent être observées : les collisions élastiques (conservation totale de l’énergie cinétique) et les collisions inélastiques, lorsque l’énergie cinétique est transférée en énergie interne aux particules. Le plasma froid affichant un faible taux d’ionisation la plupart des collisions sont élastiques, impliquant des particules chargées entrant en collisions avec des particules neutres.

Précédemment nous avons vu que les collisions ionisantes entre les électrons accélérés par le champ électrique et les atomes ou molécules présentes dans le réacteur entretiennent le plasma. Ces paires ion-électron sont créées lorsque le seuil d’ionisation est dépassé par l’énergie des électrons.

La section efficace de réaction σ est une grandeur physique directement liée à la probabilité d’interaction d’une particule dans une réaction donnée. Cette grandeur est directement liée au libre parcours moyen des électrons dans le plasma : 1 =

Sachant que le temps caractéristique entre deux collisions s’exprime par : = , la fréquence des collisions s’exprime telle que : = où = où K représente le taux collisionnel correspond à : = Calculer le taux du mécanisme collisionnel nécessite d’intégrer la fonction de distribution   (  ) des électrons, la section efficace dépendant fortement de l’énergie. La fonction de distribution décrit la proportion de particules dont l’énergie est comprise entre et + , ainsi le calcul du taux collisionnel se présente tel que : ∞2  = ∫ √   (  ).   (  ).

représente l’énergie seuil de la réaction étudiée. En effet, seuls les électrons dont l’énergie est supérieure à cette énergie seuil sont capables de participer au processus collisionnel inélastique. Les mécanismes collisionnels ayant une faible énergie seuil sont favorisés, car un faible pourcentage d’électrons peut prendre part aux collisions inélastiques. Les mécanismes de dissociation ayant une énergie seuil inférieure aux mécanismes d’ionisation, les plasmas de gravure sont fortement dissociés tout en étant faiblement ionisés.

Deux types de réaction interviennent lors de la gravure plasma : la gravure chimique, et la gravure physique aussi appelée pulvérisation. Comme énoncé précédemment l’avantage de cette méthode par rapport à la gravure par voie humide est de graver de manière anisotrope, nécessaire au contrôle de dimensions des structures gravées. Le calcul de cette anisotropie est fait de la manière suivante : = 1 − é
Les vitesses de gravure latérale et verticale sont représentées respectivement par é et .
Une gravure parfaitement anisotrope est représentée par une valeur telle que : = 1.
Les différentes applications en microélectronique nécessitent dans de nombreux cas de graver un matériau tout en préservant un autre, tous deux soumis au même plasma. Cette sélectivité est calculée de la manière suivante : = é à é à
Le masque permettant le transfert de motifs, ou une couche sous-jacente appelée couche d’arrêt sont généralement les matériaux à préserver.

La gravure chimique dans un plasma, fait appel aux réactions incluant les espèces réactives issues de la phase gazeuse dans le plasma : les radicaux, et des espèces présentes sur la surface à graver. L’exemple choisi pour illustrer le propos est la gravure du silicium par un plasma de CF4 [Coburn & Winters 1979 (1)], et [Flamm 1990]. Pour commencer, des radicaux sont créés par dissociation comme présenté précédemment: 4+ − ⟶ 3∙+ ∙+ −
L’enthalpie de réaction entre les atomes de fluor et de silicium étant négative, la réaction entre ces deux espèces est spontanée. Après avoir diffusé éventuellement à travers quelques monocouches du substrat, les atomes de fluor sont adsorbés par les atomes de silicium tel que : ( ) + ( ) ⟶ ( )
Des produits volatils sont formés par fluorations successives du silicium, entraînant une désorption de ces produits dans le plasma, puis extrait du réacteur par pompage.

Durant l’exposition au plasma, le substrat est bombardé par des ions ayant une énergie cinétique conférée par le champ électrique de la gaine. Cette décharge d’ions directionnels est neutralisée lorsque le substrat est atteint. Lors de chaque impact une partie de l’énergie cinétique de chaque ion est transmise au matériau, entraînant une expulsion des atomes superficiels du substrat pour une énergie des ions incidents suffisante. Cette pulvérisation est quantifiée par un taux, rendant compte de la proportion d’atomes éjectés par rapport aux ions incidents appelé taux de pulvérisation [Matsunami 1984], [Steinbrüchel 1989] : = .(√ −√ )
Le coefficient A est un facteur de proportionnalité tenant compte de l’angle et de la nature des ions
incidents, mais aussi de la nature du matériau exposé au plasma. correspond à l’énergie des ions incidents alors que l’énergie minimum nécessaire à la pulvérisation est représentée par . La valeur de cette énergie seuil est définie en fonction de la nature des ions incidents et du substrat. La pulvérisation intervient lorsque que l’énergie des ions incidents est supérieure à l’énergie seuil telle que : > . Les espèces ioniques ayant une énergie inférieure (de l’ordre de quelques eV) à l’énergie seuil prennent part à d’autres types de réactions. La migration d’atomes adsorbés, la désorption de produits de gravure, et le réarrangement de liaisons dans la couche réactive sont autant de réactions ayant lieu en parallèle de la pulvérisation. Le caractère anisotrope de la gravure plasma est issu de cet ensemble de réactions liées à l’activité ionique.

La synergie entre les espèces chargées et neutres est employée lors des procédés de gravure plasma. En effet, durant une gravure plasma, l’adsorption d’espèces neutres (radicaux) permettant la création d’espèces volatiles pouvant être désorbées, est facilitée par la destruction de liaisons liées au bombardement ionique. En 1979, Coburn et Winters [Coburn & Winters 1979 (2)] ont mis en évidence ce phénomène de synergie à travers l’expérience présentée Figure 4.
Durant cette expérience un substrat de silicium est gravé successivement par une exposition à : des radicaux issus d’un gaz XeF2, suivie d’une combinaison d’un bombardement ionique Ar+ et d’une attaque radicalaire via XeF2, pour finir uniquement par un faisceau d’ions Ar+. Une vitesse de gravure d’environ 3 Å/min à 5 Å/min est obtenue lorsque le substrat est soumis uniquement à un bombardement d’ions Ar+, ou à un gaz XeF2. Par contre lorsque les effets des ions Ar+, et XeF2 sont combinés, la vitesse de gravure augmente d’un facteur 10, passant au-delà de 50 Å/min. La synergie ions-radicaux est visible par le fait que les effets cumulés des ions et des radicaux sont supérieurs à la somme de leurs effets respectifs.

La gravure plasma a évolué ces dernières décennies afin de répondre aux nouvelles contraintes de rendement imposées par l’industrie de la microélectronique.
La taille des substrats ayant augmenté de 100 mm à 300 mm entre 1975 à 2000, a nécessité une amélioration de l’uniformité des procédés plasmas. En effet, plusieurs systèmes ont été développés pour répondre à cette problématique :
– Des réacteurs de gravure multi-antennes, dissociant le plasma au centre et en bord de plaque.
– L’augmentation d’injecteurs de gaz répartis dans le réacteur.
– La multiplication du nombre de zones dont la température est indépendamment contrôlée sur le porte substrat.
– L’amélioration de l’uniformisation du système de pompage du réacteur plasma.
L’anisotropie des gravures a également été améliorée avec l’utilisation de source ICP à couplage inductif permettant de contrôler indépendamment l’énergie et le flux ionique, le tout à basse pression [Lieberman & Lichtenberg 2005], [Tokashiki et al. 2009], [Bana et al. 2012]. L’amélioration de l’anisotropie des gravures plasma étant nécessaire dans le cadre de la miniaturisation des dispositifs, et plus particulièrement celle des transistors.
Figure 5 : Simulation MD (Molecur Dynamics) d’un bombardement d’ions Cl+ sur du Silicium (a) Couche ultramince d’un transistor FDSOI 28 nm (b)
De nombreux défauts sont encore liés à l’utilisation d’un plasma malgré toutes les avancées technologiques décrites précédemment :
– Dégâts induits par le bombardement ionique : dans le cas de couches minces d’une épaisseur de quelques nanomètres, comme par exemple dans les structures FDSOI (« Fully Depleted Silicium On Insulator »). La formation de chemins de diffusions est entraînée par la création de liaisons pendantes formées par les ions fortement énergétiques variant de 15 eV à plusieurs centaines d’eV durant un procédé plasma Figure 5. Une amorphisation complète de la couche mince peut aussi être constatée menant à une détérioration sévère des performances électriques du dispositif.
– L’ARDE (Aspect Ratio Dependent Etching) : Le problème de l’ARDE est posé pour la gravure de structure à fort rapport d’aspect : une structure étroite est gravée plus lentement qu’un motif plus large Figure 6. Effectivement, une augmentation du facteur d’aspect entraîne: un accès des radicaux vis-à-vis du fond de la structure plus difficile, une désorption des produits de gravure plus difficile, et dans le cas de matériaux isolants, une réduction de la vitesse des ions est induite par les effets de charge [Joubert et al. 1994].
– Les effets d’accumulation de charges : les électrons ayant une distribution de vitesse isotrope conférée par leur vitesse thermique, sont déposés à la surface du substrat, dans le cas d’un motif avec un rapport d’aspect important. Les ions ayant un déplacement principalement lié à l’accélération dans la gaine vont atteindre le fond des tranchées du motif, créant un champ électrique. Ce champ électrique va ralentir les ions suivants arrivant dans la tranchée, provoquant divers défauts tel que : le « bowing » (attaque des flancs), le « micro-trenching » [Mahorowala 2002] (augmentation de la vitesse de gravure à proximité des flancs), et le « notching » [Hashimoto
1994] (attaque latérale aux pieds des flancs).
– Le contrôle des Dimensions Critiques (CD) : la dimension critique est définie par la dimension caractéristique d’un motif. Par exemple la dimension critique d’un transistor correspond à la largeur de grille. Une précision de 8% est tolérée par L’ITRS pour un nœud technologique : pour une largeur de grille de 10 nm la précision de la gravure doit être de 0.8 nm correspondant à quelques atomes.

Imaginé en 1928 par Julius Edgar Lilienfeld [Lilienfield Brevet 1928], le transistor à effet de champ à grille métal-oxyde : MOSFET (« Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor » en anglais) est pour la première fois réalisé dans les laboratoires Bell par M.M Atalla et Dawon Khang en 1963. Deux types de transistors ont été mis au point : les MOSFET type « n », et type « p ». Le type de transistor fait référence au dopage du silicium composant la source et le drain :
– Un dopage type « n » : la quantité de porteur de charge négative dans la matrice du silicium est augmentée en introduisant généralement des atomes de phosphore. Le porteur de charge introduit est dans ce cas un électron.
– Un dopage type « p » : la quantité de porteur de charge positive dans la matrice du silicium est augmentée en introduisant généralement des atomes de bore. Le porteur de charge introduit est dans ce cas un trou.
Un transistor MOSFET de type « n » illustré Figure7, se décompose en quatre parties principales : la grille (comprenant un métal et étant isolé du substrat par un oxyde de grille), le substrat dopé « p », la source et le drain tous deux dopés « n ». La nature des charges entre la source et le drain n’étant pas de même nature que celle du substrat, le courant ne peut pas passer entre ces deux zones lorsque la tension de grille est nulle.
Un canal de conduction est créé par accumulation de charge entre la source et le drain, lorsqu’une tension positive suffisante est appliquée sur la grille : c’est l’état passant du transistor Figure 8a. La formation d’un courant est permise par l’accumulation de charge sous l’oxyde de grille, et en appliquant une différence de potentiel entre la source et le drain Figure8b.
Le fonctionnement d’un transistor de type « p » est le même que celui d’un type « n » en inversant la polarité entre la source et drain.
La création de porte logique est permise en associant un couple de transistors « n » et « p ». Cette association permet d’avoir en permanence un transistor bloquant et un autre passant formant une porte logique. L’assemblage de plusieurs portes logiques permet d’obtenir des fonctions logiques plus complexes telles que : NAND, OR, NOT…etc