Gravure des espaceurs par des chimies à base de fluorocarbone C Hx F y

Interêt de la technologie FDSOI

Pour suivre la loi de Moore, la microélectronique a miniaturisé ses composants. En diminuant les dimensions latérales et verticales des transistors, il était possible de diminuer le coût de fabrication des transistors mais aussi d’augmenter ses performances. Cependant cette diminution constante des dimensions présente des effets sur le fonctionnement des transistors. Lorsqu’on atteint des dimensions de l’ordre de la dizaine de nanomètres pour la largeur de la grille, ou des épaisseurs de l’ordre du nanomètre pour les couches minces qui la constituent, certains phénomènes visibles uniquement à cette échelle apparaissent : l’effet tunnel quantique par exemple. On observe alors des courants de fuites du canal de la source vers le drain ou du canal vers la grille à cause de la faible épaisseur d’oxyde lorsque le transistor est à l’état bloquant.

La gravure par plasma

Comme nous l’avons décrit dans la partie précédente, la gravure est une étape clé dans la réalisation de circuits intégrés. Elle doit permettre d’obtenir des motifs droits et ne pas endommager ou surconsommer la couche sous-jacente. Il existe deux paramètres généraux que les gravures doivent maximiser pour respecter ces objectifs : la sélectivité et l’anisotropie.

Sélectivité de gravure

Pour que le transfert d’un motif défini par une étape de lithographie par la gravure dans une couche soit bon, il est important de ne pas surconsommer le masque et de ne pas consommer le matériauque l’on souhaite conserver. Lors d’une étape, la gravure doit donc se faire surune seule des différentes couches. On définit la sélectivité d’une gravure d’un matériau a sur un matériau b comme le rapport des vitesses de gravures. Pour que le transfert d’un motif défini par une étape de lithographie par la gravure dans une couche soit bon, il est important de ne pas surconsommer le masque et de ne pas consommer le matériau que l’on souhaite conserver. Lors d’une étape, la gravure doit donc se faire sur une seule des différentes couches.
On définit la sélectivité d’une gravure d’un matériau a sur un matériau b comme le rapport des vitesses de gravures.

La gravure chimique

Ce type de gravure présentée sur la figure 1.14 est similaire à celui qui s’effectue dans le cas d’une gravure humide.
La gravure chimique est dûe aux réactions chimiques spontanées des espèces neutres du plasma avec le substrat. Ces espèces peuvent être directement introduites dans la phase gazeuse du plasma ou obtenues par dissociation moléculaire et d’attachement électronique dans le plasma. Ces réactions doivent créer des produits volatiles afin de pouvoir les extraire du réacteur de gravure par pompage. En adaptant la composition du plasma, il est possible de modifier la réactivité des espèces neutres, et donc d’obtenir des radicaux avec une forte réactivité pour un matériau et très faible pour un second.
Ce type de gravure permet donc d’obtenir de très fortes sélectivités mais à une anisotropie très faible.

La gravure réactive ionique avec polymérisation

Ce type de gravure est similaire à la précédente mais une couche protectrice est formée sur les flancs des structures pour empêcher une gravure latérale comme le montre la figure 1.17.
Les chimies de gravure utilisées doivent permettre à la fois de générer des radicaux nécessaires à la gravure et de former une couche protectrice sur le flanc des espaceurs. Le dépôt de cette couche peut s’effectuer de deux manières : la première est un dépôt d’une espèce provennant directement de la phase gazeuse du plasma comme un polymère. La seconde manière est un redépôt des produits de gravure volatils sur le flanc des motifs.

Les enjeux de la gravure espaceurs pour la technologie FDSOI 14nm

Dans cette partie nous présenterons les enjeux de la gravure pour les substrats FDSOI, puis nous présenterons les spécifités de la gravure des espaceurs et enfin nous présenterons les résultats actuels de la gravure des espaceurs.

La gravure sur les substrat FDSOI

Les circuits intégrés dont il est question dans cette thèse sont réalisés sur un substrat SOI dit « fin », c’est à dire un empilement d’une couche de 7nm de silicium cristallin, une couche de 20nm d’oxyde enterré et une couche de 750µm de silicium. Les gravures de l’empilement de la grille et des espaceurs doivent s’arrêter sur la première couche de silicium.
Durant ces procédés de gravure, le substrat est exposé à un bombardement ionique. Ces ions ont une énergie pouvant varier de 15eV à plusieurs centaines d’eV dans le cas où l’on applique une tension d’autopolarisation sur la plaque. Ces énergies sont suffisantes pour pouvoir amorphiser la surface du silicium [10, 33]. Or après ces gravures, une étape d’épitaxie est effectuée et nécessite une très bonne qualité cristalline de la surface afin d’obtenir lesperformances désirées.
Le bombardement ionique peut aussi rompre des liaisons covalentes du solide menant à la création de liaisons pendantes et à la formation de chemin de diffusion dans le silicium entrainant son oxydation [26]. Cette consommation du silicium est ensuite révélée par une étape de nettoyage avant l’épitaxie. Pour que cette dernière ait lieu, il faut une épaisseur minimum de 3nm de silicium non endommagé. De plus la consommation de silicium peutentrainer une dégradation des propriétés électriques des transistors en augmentant la tension de seuil et le courant de fuite du canal à l’état bloquant.
En résumé, en augmentant la tension de bias il est possible d’améliorer la directionnalité d’une gravure mais cela augmente la taille des couches réactives [7] et les dommages induits dans le silicium qui empêchent la reprise d’épitaxie dans le cas d’un substrat SOI.
Ces problèmes sont présents lors de la gravure des espaceurs, mais à ceux là s’ajoutent d’autres problèmes.

Dispositif expérimental

Dans notre étude, plusieurs réacteurs de gravure et équipements de caractérisations ont été utilisés afin d’identifier les mécanismes de gravure. Nous allons les décrire dans ce chapitre.
Les réacteurs de gravure et la plupart des équipements de caractérisation, qui ont été utilisés, étaient spécifiquement destinés à des plaques d’un diamètre de 300mm ou de 200mm.

Matériaux utilisés

Dans cette partie, nous décrirons les matériaux utilisés durant cette étude. Le tableau 2.1 présente ces matériaux (type de dépôt, température de dépôt etc…)

Spectrométrie de Masse d’Ions Secondaires à Temps de Vol (ToF-SIMS)

La spectrométrie de masse d’ions secondaires à temps de vol est une méthode d’analyse de la composition élémentaire et moléculaire d’extrème surface (<0.5nm). Elle est basée surl’analyse des ions secondaires éjectés lors du bombardement d’un échantillon par un faisceau d’ions primaires [22]. Cette technique de caractérisation est une technique destructive. Elle permet cependant de pouvoir sonder le matériau en profondeur grâce à l’utilisation d’un second faisceau permettant l’abrasion de l’échantillon.
Le principe de fonctionnement est montré sur la figure 2.10. Durant la phase d’analyse, un faisceau d’ions primaires dont l’énergie est comprise entre plusieurs centaines d’électronsvolts à plusieurs dizaines de milliers d’électrons-volts permet de pulvériser les atomes à la surface de l’échantillon. Une partie seulement des éléments éjectés sont ionisés. Durant la phase d’extraction, les ions sont accélérés dans le détecteur grâce à un potentiel électrostatique V et leur temps de vol dans le détecteur est analysé. Puis une phase d’abrasion a lieu afin d’étudier le matériau en profondeur.

spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)

La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X ou spectrométrie photoélectronique X est une analyse de la surface développée par K. Siegbahn pour laquelle il reçut le prix Nobel en 1981. C’est une technique de caractérisation non destructive qui permet d’analyser la composition de matériaux solides sur quelques nanomètres de profondeurs.(∼ 5 − 10nm).

Gravure des espaceurs par des chimies à base de fluorocarbone C Hx F y

Introduction

L’espaceur est un élément clé des transistors car il permet d’isoler électriquement la grille et le contact. Il diminue aussi le risque d’effet tunnel entre la source et/ou le drain et la grille.
L’enchainement des principales étapes nécessaires à la création des espaceurs est présenté sur la figure 3.1.
La gravure des espaceurs est une étape clé dans la réalisation de circuits-intégrés qui intervient après le dépôt de 6nm ou 10nm nitrure de silicium par une méthode PEALD à 630 ◦C respectivement pour les transistors NMOS et PMOS 3.1.a. Comme nous l’avons montré au chapitre 1, cette gravure doit être anisotrope pour empêcher la formation d’un pied de nitrure à la base de l’espaceur et limiter sa consommation latérale 3.1.b. Elle doit s’arrêter sur une fine couche de 7nm de silicium (transistor NMOS) ou 9nm de silicium-germanium (transistor PMOS) dont une partie a pu être déjà consommée lors de la gravure de la grille. Une épitaxie doit ensuite avoir lieu pour créer les zones de sources et de drain comme cela est montré sur la figure 3.1.c. Pour qu’elle ait lieu, il faut une couche de silicium d’au moins 30Å avec une bonne cristallinité et sans résidus de nitrure. Il est donc impératif que la gravure consomme le moins de silicium possible. Les alliages de Si 1−x Gex s’oxydent plus facilement que le silicium monocristallin, c’est pourquoi nous nous concentrerons sur la gravure des transistor PMOS.
Pour empêcher l’apparition d’un pied et de ne pas laisser de résidus de nitrure à la surface du silicium, il est nécessaire d’avoir une gravure importante. Cependant pour limiter la consommation et l’endommagement de la couche de silicium, il faut limiter cette gravure. Dans ce chapitre, nous commencerons par présenter les mécanismes de gravure du nitrure et du silicium par des plasmas fluorocarbonés, nous évaluerons ensuite les procédés actuellement utilisés à STMicroelectronics. Nous étudierons ensuite l’optimisation possible de ces procédés et son impact sur les résultats électriques des circuits intégrés obtenus.

Gravure du nitrure de silicium par des plasmas à base de fluorocarbone C Hx F y

Pour graver le nitrure de silicium, il est possible d’utiliser des plasmas à base de fluorocarbone dont les mécanismes de gravure ont été modélisés [11]. La figure 3.2 présente les mécanismes de gravure de ce type de plasma.

Amélioration du procédé de surgravure (C H3 F / O2 / He/C H4 )

Nous avons décrit les mécanismes de gravure du silicium et du nitrure par les chimies fluorocarbonnées. Nous avons aussi montré les limites des chimies actuellement utilisées pour la gravure des espaceurs à STMicroelectronics.
Une optimisation du procédé de gravure utilisé à STMicroelectronics a été proposé par la société LAM research. Elle consiste à ajouter du tétrachlorure de silicium Si Cl 4 couplé à une pulsation de la tension de bias afin de limiter la consommation de la couche de silicium.
Une étude préliminaire menée par R.Blanc pour la gravure des espaceurs de la technologie F DSOI 28nm a montré que ce nouveau procédé permettait de réduire la consommation du substrat de 15Å à 5Å sur des plaques avec motifs par un dépôt d’oxyde sur le silicium [2] . Dans la suite de ce chapitre, nous allons étudier la fenêtre de procédé de cette nouvelle chimie ainsi que son impact sur les performances électriques des circuits obtenus.

Effet de l’ajout de Si Cl4

Nous avons tout d’abord étudié l’effet de l’ajout de Si Cl 4 sur les consommations de nitrure et de silicium. Les plaques ont subi une étape de gravure principale (C HF3 /He), suivie d’uneétape de surgravure (C H3 F / O2 / He/ C H4 / Si Cl 4 ). Les recettes utilisées sont présentées dans le tableau 5.1. Pour obtenir la consommation de la surgravure seule, la consommation observée de l’étape de la gravure principale seule a été soustraite à la consommation totale.
Afin de révéler la consommation de silicium dûe à une oxydation du substrat, il sera nécessaire de faire un bain de HF 1% de 60 secondes équivalent au retrait de 60Å d’oxyde thermique.

Effet de la surgravure sur la consommation de résine

Dans l’enchainement d’étapes nécessaire à la création des espaceurs pour la technologie F DSOI 14nm, présenté sur la figure 3.1, il y a une étape de lithographie avant la gravure des espaceurs. Elle permet de définir des zones qui seront épitaxiées pour les transistors NMOS et PMOS. Nous allons évaluer la compatibilité de notre procédé avec cette étape. Pour cela nous mesurerons les consommations de résine par un enchainement gravure principale et surgravure sur des plaques ayant été traitées par une étape de photo-lithographie permettant d’obtenir un damier de carré de 2cm de résine. Pour ces plaques, la surgravure appliquée cible toujours la même épaisseur.
Les consommations de résine en fonction des conditions de surgravure sont présentées sur la figure 3.27. On peut voir que pour la chimie C H3 F / O2 / He/ C H4 , la pulsation du bias n’influence pas la consommation de résine. Avec l’ajout seul de Si Cl 4, on passe d’une consommation de résine de 275Å à une consommation de 355Å. Avec une pulsation de la tension de bias, la consommation est de 400Å.
Les zones PMOS et NMOS délimitées par un masque de résine d’une hauteur de 2400Å, d’une largeur de 200Å et d’une longueur de 1700Å. L’augmentation de la consommation de la résine lié à la surgravure est donc acceptable et ne risque pas de retirer le masque.

Application sur plaque patternée

Résultats obtenus sur une plaque avec des motifs denses

Les essais ont été menés sur des plaques utilisées pour la technologie F DSOI 14nm avec motifs pour la gravure d’espaceurs en nitrure de silicium pour un transistor PMOS avec un arrêt sur une couche de Si Ge . La largeur des grilles utilisées est de 25nm avec une couche de 10nm de nitrure de silicium déposée par PEALD. Nous commencerons par regarder les résultats obtenus par la chimie de gravure C H3 F / O2 / He/ C H4 / Si Cl 4 avec un bias pulsé.
Les plaques ont subi une gravure principale de 8nm et une surgravure équivalente à 4nm de nitrure.

Table des matières
Table des figures 
1 Introduction 
1.1 Introduction à la microélectronique
1.1.1 historique
1.1.2 Loi de Moore
1.1.3 Fonctionnement d’un transistor
1.1.4 Interêt de la technologie FDSOI
1.2 La gravure par plasma
1.2.1 Introduction à la physique des plasma
1.2.2 Interaction Plasma-paroi : la formation d’une gaine électrostatique
1.2.3 Les collisions électroniques inélastiques dans le plasma
1.2.4 La gravure chimique
1.2.5 La gravure physique
1.2.6 La gravure réactive ionique
1.2.7 La gravure réactive ionique avec polymérisation
1.3 Les enjeux de la gravure espaceurs pour la technologie FDSOI 14nm
1.3.1 La gravure sur les substrat FDSOI
1.3.2 La gravure des espaceurs sur les substrat FDSOI
1.3.3 Résultats obtenus avec le procédé de gravure actuel
1.4 Technologies de gravure par plasma en développement
1.4.1 Gravure par utilisation de plasma pulsé
1.4.2 Gravure à basse température électronique Te
1.4.3 Gravure par couche atomique
1.5 Solutions étudiées durant cette thèse
1.5.1 Amélioration du procédé de gravure actuel
1.5.2 Présentation d’une nouvelle technique de gravure
1.5.3 Plan de l’étude
Bibliographie
2 Dispositif expérimental 
2.1 Matériaux utilisés
2.2 Réacteur de gravure
2.2.1 Gravure sèche par plasma
2.2.2 Gravure humide
2.3 Les techniques de caractérisation
2.3.1 Éllispométrie
2.3.2 Spectrométrie de Masse d’Ions Secondaires à Temps de Vol (ToF-SIMS)
2.3.3 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
2.3.4 spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)
2.3.5 Microscopie électronique
Bibliographie
3 Gravure des espaceurs par des chimies à base de fluorocarbone C Hx F y
3.1 Introduction
3.1.1 Gravure du nitrure de silicium par des plasmas à base de fluorocarbone C HxF y
3.1.2 Présentation de la gravure des espaceurs par des chimies fluorocarbonées
3.2 Étude des chimies C HF3 /He et C H3 F /O2 /He/C H4
3.2.1 Vitesse de gravure et sélectivité obtenue
3.2.2 Etat de la surface du silicium après une gravure par C HF3 /He
3.2.3 Etat de la surface du silicium après une gravure par C H3 F /O2 /He/C H4
3.2.4 Application de cette chimie sur plaque patternée
3.3 Amélioration du procédé de surgravure (C H3 F / O2 / He/C H4 )
3.3.1 Effet de l’ajout de Si Cl 4
3.3.2 Choix d’un régime de pulsation de la tension de bias pour optimiser le procédé
3.3.3 Effet du temps de procédé
3.3.4 Nouveau modèle d’arrêt de la gravure sur silicium
3.3.5 Effet de la surgravure sur la consommation de résine
3.4 Application sur plaque patternée
3.4.1 Résultats obtenus sur une plaque avec des motifs denses
3.4.2 Résultats électriques
3.5 Conclusion
Bibliographie
4 Gravure du nitrure de silicium Si
3 N4 par modification grâce à un plasma d’ion léger suivi d’un retrait sélectif
4.1 Introduction
4.2 Étude préliminaire
4.2.1 Choix de la chimie et de l’implantation
4.2.2 Retrait de la couche modifiée par voie humide
4.2.3 Impact des paramètres plasma sur la gravure
4.2.4 Conclusion
4.3 Caractérisation approfondie de la modification du nitrure de silicium par un
plasma à base d’hydrogène
4.3.1 Analyses par spectrométrie photoélectronique X (XPS)
4.3.2 Analyse par spectométrie SIMS
4.3.3 Analyses infrarouges
4.3.4 Modèle proposé pour la modification du nitrure de silicium à base d’un plasma d’hydrogène
4.3.5 Mécanisme de gravure du nitrure de silicium par acide HF
4.4 Caractérisation approfondie de la chimie à base d’hélium
4.4.1 Analyses XPS
4.4.2 Analyse par spectométrie SIMS
4.4.3 Analyses infrarouges
4.4.4 Modèle proposé pour la modification à base d’un plasma d’hélium
4.5 Mise en place du procédé pour l’utilisation de cette gravure en production
4.5.1 Résultats morphologiques obtenus par chimie He
4.5.2 Résultats morphologiques obtenus par chimie H2
4.5.3 Défauts induits par la gravure
4.5.4 Conclusion
4.6 Optimisation des chimies de gravures
4.6.1 Intérêt de la chimie He-H2
4.6.2 Caractérisation de la chimie He-H2
4.6.3 Intérêt de la chimie He-C H4
4.6.4 Caractérisation de la chimie He-C H4
4.7 Conclusion
Bibliographie
5 Gravure des espaceurs de faible constante diélectrique Si CO 
5.1 Introduction
5.2 Gravure par des chimies fluorocarbonées
5.2.1 Gravure du Si CO par la chimie de la gravure principale C HF3 /He
5.2.2 Application de la surgravure C H3 F /O2 /He/C H4 et C H3 F /O2 /He/C H4 /Si Cl et bias pulsé sur low-k
5.2.3 Application sur plaque avec motifs
5.3 Étude de la chimie H pour la gravure des espaceurs
5.3.1 Vitesse de gravure observée
5.3.2 conclusion
5.4 Caractérisation de la modification du Si CO par la chimie H
5.4.1 Analyse XPS de la chimie H
5.4.2 Analyse infra-rouge de la chimie H
5.5 Application sur plaque patternées
5.5.1 Étude de la faisabilité de la gravure
5.5.2 Réduction du temps du bain d’acide fluorhydrique HF
5.6 Conclusion
Bibliographie
6 Conclusions générales et perspectives
6.1 Conclusion générale
6.2 Perspectives
6.2.1 Optimisation de l’étape retrait par voie humide : utilisation d’une solution d’acide fluorhydrique avec un pH modifié
6.2.2 Application à des plaques patternées
6.2.3 Optimisation de l’étape retrait par voie sèche : utilisation d’acide fluorhydrique en phase vapeur
6.2.4 Optimisation de l’étape retrait par voie sèche : utilisation d’un plasma délocalisé NF3 /N H3
6.2.5 Application à des plaques patternées
6.2.6 conclusion
Bibliographie

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