Etude spectroscopique des plasmas déportés NF3/H2 et NF3/NH3 dans le réacteur Frontier

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Physique des plasmas dans la microélectronique

Introduction à la physique des plasmas

En 1928, environ 20 ans avant l’invention du transistor, Irving Langmuir et Levi Tonks ont observé le plasma pour la première fois dans un tube de décharge [Langmuir-28]. Le nom de plasma (matière gélatineuse en grec) est utilisé en raison de la similitude de l’oscillation ionique dans le tube de décharge et de l’oscillation dans un matériau gélatineux. Le plasm est défini comme un gaz ionisé et il se compose d’électrons, d’ions, de particules neutres (atomes, molécules, radicaux) et de photons.
Pour transformer le gaz en plasma, il faut apporter de l’énergie au système, ce qui peut être effectué en appliquant un champ électrique de radiofréquence (RF) de 13,56 MHz qui va fournir de l’énergie aux électrons du plasma. En raison de la différence de masse entre les ions et les électrons (mi > 1800 me) les ions ne voient que la moyenne du champ électrique RF alors que les électrons peuvent suivre ses variations temporelles. Les pulsations plasma ioniques ( ) et électronique ( ) caractérisent la fréquence angulaire auxquelles les ions et les électrons peuvent répondre : 1-1 =√ 2< ≪ =√ 2 0 0 , : é é : é ∶ ℎ é 0: é
Une caractéristique importante du plasma est sa neutralité électrique : la différence de densité des espèces à charge positive et négative est presque nulle. En effet, dans un plasma les charges se réarrangent pour écranter les perturbations de potentiel. Cet écrantage a lieu sur une certaine distance, à partir de laquelle le plasma peut être considéré comme quasiment neutre. Elle est appelée la longueur de Debye : 1-2 = √ 0 2 , : (1,38 ∙ 10−23 −1) et : é é
Les grandeurs définies ci-dessus dépendent des deux grandeurs physique importantes : la densité et la température des électrons : ne et Te, respectivement.

Contrôle du bombardement ionique par l’auto-polarisation

Pour aboutir à des gravures rapides et anisotropes, les ions ont généralement besoin d’une énergie plus élevée que le potentiel plasma. Pour arriver à transférer plus d’énergie aux ions, il est possible de générer une tension continue négative sur le substrat ce qui va augmenter le potentiel dans la gaine et donc l’énergie de bombardement ionique. Cependant, en raison du type de matériau du substrat ou de l’électrode, qui peuvent être isolant, il n’est pas possible d’utiliser directement une tension continue. Pour polariser négativement l’électrode, il faut utiliser l’effet d’auto-polarisation qui se produit lorsqu’une tension RF sinusoïdale VRF (typiquement 13.56 MHz) est appliquée à l’électrode à travers une capacité de blocage. (en série entre l’électrode et le générateur RF.)
La figure ci-dessous, représente l’évolution de la tension sur une électrode alimentée en RF à travers une capacité depuis l’étape initiale lorsque la tension RF est allumée (VRF > Vplasma) jusqu’à l’état stationnaire où VRF < Vplasma. Nous considérons un cas où Vp est fixe (réacteur ICP par exemple).

La physico-chimie des plasmas froids

La physico-chimie des plasmas froids est le résultat de l’équilibre entre la création et la perte d’espèces réactives. Parmi ces mécanismes, les collisions entre les différentes particules du plasma jouent un rôle important, qu’elles soient élastiques ou inélastiques. Si l’énergie interne de chaque particule ne change pas après la collision, elle est élastique. Sinon elle est inélastique. Il y a beaucoup de mécanismes qui expliquent la création d’espèces réactives en phase gazeuse, nous allons résumer les plus importantes [Lieberman-05]:
– Ionisation: peut-être directe+ − + + 2 − ou dissociative + − + + + 2 −. Réactions qui maintiennent le plasma.
– Dissociation: + − + + − . Cette réaction forme des radicaux réactifs qui sont utilisés pour la gravure, le dépôt, la polymérisation…
– Attachement électronique: normalement, il est dissociatif + − − + , mais peut créer des ions négatifs + − − . Ces ions peuvent réduire le flux de Bohm
– Excitation: + − ∗ + . La molécule est portée dans un état excité, qui en général se désexcite rapidement de manière radiative ∗ + ℎ . Ce phénomène est à l’origine de la lumière émise par le plasma.
Pour les collisions élastiques, les plus importantes sont les collisions entre les neutres qui résultent en leur transport diffusif, ainsi que les collisions ion-neutre qui dévient et font perdre de l’énergie aux ions dans la gaine à haute pression [Vempaire-09].
Du point de vue de la chimie du plasma, il faut considérer que la densité d’un radical est pilotée par ses mécanismes de perte et de création. De manière générale, les radicaux sont produits par dissociation de molécules par impact électronique (discuté ci-dessus) ainsi que par certaines réactions chimiques (par exemple, la réaction NF3+HHF+NF2 produit du HF). Le taux de production d’un radical par impact électronique augmente linéairement avec la densité électronique ne et approximativement exponentiellement avec Te (exp(-Es/Te) ou Es est l’énergie seuil de la réaction inélastique). Cela fait que les mécanismes les plus importants sont ceux ayant une énergie seuil basse. C’est ainsi que les plasmas haute densité sont fortement dissociés mais faiblement ionisés. Une autre conséquence est que dans un plasma, l’ion majoritaire est en général celui qui a l’énergie d’ionisation la plus basse. C’est ainsi que dans les plasma de He, la moindre impureté présente dans le plasma (O, F , etc…) sera ionisée car He est l’atome du tableau périodique dont l’énergie d’ionisation est la plus élevée (24,5 eV).
En ce qui concerne les mécanismes de perte des radicaux, dans les plasmas froids à basse pression, les plus importants sont : les pertes aux parois, les réactions chimiques et le pompage.

Types de réacteurs

Réacteur CCP monofréquence

Les réacteurs CCP sont constitués de deux plaques parallèles (électrodes) dont une est alimentée par une tension RF (13.56 MHz). Le mode de couplage de l’énergie est de type capacitif. Cette tension RF appliquée aux électrodes va se traduire par l’apparition d’une forte tension d’autopolarisation sur la plus petite des électrodes qui sera bombardée par des ions très énergétiques (100’s eV). En revanche, une grande partie de la puissance étant transférée aux ions il s’ensuit qu’une faible puissance est absorbée par les électrons : ces plasmas sont peu denses (environ 1010 ion/cm3 ) et le flux ionique faible. En outre, le flux et l’énergie ionique ne peuvent pas être contrôlés indépendamment. Pour résoudre ce problème, des réacteurs à doubles fréquence [Chabert2011] ou des réacteurs ICP peuvent être utilisé. Nous allons juste décrire brièvement les réacteurs ICP car c’est ce type de réacteur qui a été utilisé dans cette thèse pour faire des implantations.

Réacteur ICP

Les réacteurs ICP sont constitués d’une antenne (bobine) séparée du plasma par un diélectrique. Ils peuvent travailler en deux modes en fonction de la puissance injectée : à faible puissance un plasma capacitif (mode E électrostatique) se crée par couplage de la haute tension RF au gaz à travers le diélectrique. A plus forte puissance, le couplage devient inductif (mode électromagnétique H) et prédomine sur le couplage capacitif (dont l’efficacité chute quand on augmente la puissance). Entre ces deux modes il y a une transition de modes E-H qui provoque des instabilités, et de manière générale ces réacteurs opèrent en mode H a une puissance nettement supérieure à celle des instabilités.

La figure ci-dessous présente un exemple du type de réacteur ICP utilisé.

Un générateur RF alimente l’antenne et fait circuler un fort courant RF dans cette dernière ce ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ qui génère un flux magnétique RF axial dans le réacteur ( ( ) = 0 ). Ce flux magnétique ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗). Les va à son tour induire un champ électrique azimutal dans le réacteur ( ( ) = − électrons vont pouvoir absorber l’énergie de ce champ induit et ainsi entretenir le plasma. Les ondes électromagnétiques créées par l’antenne ne se propagent pas dans le plasma mais elles sont absorbées sur une distance appelée épaisseur de peau ( ≡ ) et qui fait typiquement 1 cm d’épaisseur. Etant donné qu’il n’y a pas d’électrode alimentée en haute tension en contact direct avec le plasma, il n’y a pas d’autopolarisation et les surfaces sont donc bombardées par des ions à Vp (15 eV). La majeure partie de la puissance absorbée par le plasma est donc cette fois (par opposition aux CCP) directement absorbée par les électrons, ce qui fait que la densité de plasma devient élevée ( > 1011 ion/cm3 ). La densité de plasma (et donc le flux ionique) augmente linéairement avec la puissance ICP absorbée par le plasma ce qui permet de contrôler aisément le flux ionique.

En parallèle, l’électrode porte substrat peut être polarisée à travers une capacité de blocage en utilisant un second générateur RF. Grâce à l’effet d’autopolarisation énoncé précédemment, l’énergie des ions peut être augmentée et contrôlée indépendamment de leur flux qui est piloté par la puissance inductive.

L’utilisation des deux générateurs permet donc de contrôler le flux et l’énergie ionique quasi-indépendamment. Cependant, au niveau du substrat, ces deux grandeurs, flux ionique (courant ionique) et énergie ionique eVbias sont reliées par la puissance (PBias) : ∽ 1-10

Le courant étant élevé (haute densité) la conséquence est une énergie de bombardement nettement plus faible que dans les réacteurs CCP (en général <200 eV).

Réacteur Downstream

Les réacteurs downstreams ou RPS (Remote Plasma Source) sont constitués d’un système de création du plasma (capacitif, inductif ou µondes) et d’une seconde chambre déportée dans laquelle le plasma ne pénètre pas. Soit les deux chambres sont séparées d’un long tube (dans lequel la densité de plasma décroit jusqu’à zéro), soit il y a un système de grille permettant de bloquer le plasma entre les deux chambres. Dans les deux cas il n’y a que des radicaux qui peuvent diffuser jusqu’au substrat situé dans la chambre de diffusion.

Le système de blocage utilisé dans cette thèse est celui de la grille ou plus précisément d’une électrode de type « pommeau de douche » percée de nombreux trous de forts facteurs d’aspect (rapport entre l’aire et la hauteur des trous). a) b)

Dans ce type de réacteur, vu que les ions ne sont pas présents, ce sont donc les radicaux qui vont réagir avec le substrat et les parois. La gravure est purement chimique (isotrope) mais peut être très sélective.

Gravure chimique

La gravure chimique résulte de réactions chimiques entre les particules neutres ou radicaux et le substrat (pas de bombardement ionique énergétique pour activer les réactions). Ces radicaux sont créés par dissociation par impact électronique et par certaines réactions chimiques.

La gravure chimique peut être décomposée en trois étapes élémentaires que nous allons illustrer dans le cas de la gravure chimique du Si par un plasma CF4 [Coburn-79] :

– La dissociation par l’impact électronique crée du F atomique réactif : 4+−→ 3+ +−.

– Les particules réactives réagissent avec la surface (adsorption) : ( ) + ( ) → ( ).

– Un produit de gravure volatil se forme, désorbe de la surface et est pompé menant à la gravure du silicium: 3( ) + ( ) → 4( ).

Ces réactions dépendent très fortement de la température et une réaction exothermique comme ci-dessus sera endothermique avec un autre matériau (SiO2 par exemple). Cette sélectivité de l’attaque chimique combinée à l’absence de bombardement ionique énergétique permet d’obtenir des sélectivités de gravure infinies entre certains matériaux. C’est l’intérêt de la gravure purement chimique et des réacteurs déportés RPS.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés notamment à la chimie générée par des plasmas RPS de NF3, NH3 et H2.

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Table des matières

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1. Chapitre 1 : Introduction et contexte de l’étude
1. Microélectronique
2. Les défis technologiques actuels de la gravure
3. Physique des plasmas dans la microélectronique
3.1. Introduction à la physique des plasmas
3.2. La gaine de Debye
3.3. Contrôle du bombardement ionique par l’auto-polarisation
3.4. La physico-chimie des plasmas froid
4. La gravure plasma
4.1. Types de réacteurs
4.2. Gravure chimique
4.3. Gravure physique
4.4. Synergie ions & Neutres
4.5. Critères à respecter pour la gravure des grilles de transistor
4.6. Développement de nouvelle technologie par gravure plasma
4.7. Smart Etch
5. Contexte et description de l’étude
6. Bibliographie du chapitre 1
2. Chapitre 2: Dispositifs expérimentaux et Techniques de caractérisations
1. Les réacteurs de gravures
1.1. Le réacteur prototype post décharge
1.2. Le réacteur de gravure ICP
2. Diagnostics du plasma
2.1. Mesures Spectroscopiques
2.2. La spectroscopie d’absorption optique large bande VUV (VUV-BBAS)
2.3. Spectroscopie d’émission optique
2.4. Sonde de flux ionique à couplage capacitif
3. Retrait de la couche modifiée
3.1. La gravure humide HF
4. Techniques de caractérisation du matériau modifié
4.1. L’ellipsométrie
4.2. La microscopie électronique : FIB et TEM & STEM
4.3. La spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
4.4. Microscopie à Force Atomique (A.F.M.)
5. Bibliographie du chapitre 2
3. Chapitre 3 : Etude spectroscopique des plasmas déportés NF3/H2 et NF3/NH3 dans le réacteur Frontier
1. Méthodes et optimisation
1.1. Méthodes pour retrouver les pressions partielles des radicaux qui absorbent
1.2. Mesure des variations des densités relatives de F et H par actinométrie : Optimisation du petit plasma servant à exciter les radicaux
2. Etude des plasmas réalisés dans le réacteur Frontier
2.1. Mélange NF3/H2/He
2.2. Mélange NF3/NH3/H2
2.3. Mesure résolues en temps des densités de NF3 et HF
3. Conclusion du chapitre
4. Bibliographie du chapitre 3
4. Chapitre 4 : Etude de la modification du SiN en plasma d’oxygène
1. Caractérisation des plasmas d’oxygène utilisés pour la modification du SiN
1.1. Nature des ions
1.2. Mesures du flux d’ions
2. Analyse morphologique du SiN implanté par TEM et STEM
3. Mesure de la nature chimique de la couche modifiée : pARXPS
4. Cinétique de croissance/pulvérisation de la couche SiON : mesures ellipsométriques
5. Impact des paramètres plasma sur la profondeur de SiN oxydé
6. Comparaisons des résultats en épaisseur de pARXPS, Ellipsomètre et STEM
7. Gravure de la couche modifiée dans du HF liquide
8. Gravure de la couche implantée dans les plasmas downstream «ALE»
9. Gravure implantation ICP / retrait downstream
10. Conclusion
11. Bibliographie