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Microélectronique : 70 ans de progrès
Le premier transistor a été réalisé sur un monocristal de germanium en 1948 dans les laboratoires Bell par John Bardeen, Walter Brattain et William Schrockley. Cette découverte majeure marquera le début d’une nouvelle révolution industrielle et leur vaudra le prix Nobel de Physique en 1956. A peine six années plus tard, le premier transistor en Silicium est fabriqué par Texas Instruments et en 1959 le premier circuit intégré (6 transistors connectés entre eux par dépôt de couches métalliques) est créé. Dès lors, le nombre et la complexité des transistors présents sur un circuit intégré ne cesseront de croitre. Dans ce cadre, Gordon Moore, un des trois fondateurs d’Intel postula en 1965 le doublement chaque année du nombre de transistors par circuit intégré. Cette loi de Moore restera correcte durant 10 ans. En effet, en 1975 elle est reformulée et stipule que le nombre de transistors des microprocesseurs sur une puce de Silicium double tous les deux ans . Depuis les années 80, cette loi n’a pas été démentie permettant ainsi de produire des machines électroniques de plus en plus puissantes et de moins en moins couteuses.
Pour poursuivre cette course à la miniaturisation des transistors, les grands industriels de la microélectronique donnent chaque année les objectifs à atteindre pour les prochains nœuds technologiques qui sont consignés dans une feuille de route nommée l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors).
Pour permettre la miniaturisation des dispositifs microélectroniques, la gravure plasma et la lithographie sont des étapes technologiques élémentaires [Cardinaud2000]. Il existe deux approches possibles pour fabriquer des circuits intégrés : la voie « top-down » (voie descendante) et la voie « bottom-up » (voie ascendante). Cependant la voie descendante est l’approche la plus couramment utilisée dans l’industrie et permet de miniaturiser des objets dans une gamme de dimension de l’ordre de la dizaine de nanomètre. Elle consiste à utiliser la gravure par plasma pour transférer l’image d’un masque (défini par photolithographie) dans la couche active du dispositif. Les dimensions et la densité des structures sont donc définies par le masque.
Auparavant, le transfert des motifs était réalisé par gravure humide mais son utilisation est devenue rapidement limitée. En effet, le caractère isotrope de la gravure humide ne permet pas de conserver les dimensions définies par la lithographie . La gravure par plasma s’est alors imposée puisqu’elle est à la fois anisotrope (respect de la forme et des dimensions des motifs du masque) et sélective (possibilité de graver uniquement la couche souhaitée).
Les problématiques des procédés de gravure actuels
Depuis le début de l’industrialisation de la microélectronique, les équipementiers n’ont eu de cesse d’apporter des améliorations toujours plus importantes aux réacteurs plasmas afin de poursuivre la course à la miniaturisation des dispositifs et l’augmentation de la taille des substrats. Parmi les améliorations on note en particulier l’introduction des réacteurs ICP dans les années 90. Ils permettent de contrôler indépendamment le flux d’ions et l’énergie des ions et de travailler à haute densité et basse pression pour obtenir une bonne anisotropie de gravure [Liebermann2005, Tokashiki2009, Banna2012]. Par exemple, l’uniformité de gravure a été améliorée grâce à la modification de l’injection des gaz (au centre et au bord), du pompage de la chambre (désormais symétrique) et par une meilleure régulation de la température du portesubstrat. Cependant ces progrès techniques ne permettent pas de résoudre les problèmes liés à l’interaction entre le plasma et le substrat. En effet, les plasmas ICP continus utilisés actuellement vont induire des dommages dans les matériaux et provoquer à terme unealtération de la forme et des performances électriques des transistors. Les principales limitations répertoriées pour les procédés plasmas continus sont les suivantes :
– Les dégâts induits par le bombardement ionique car l’énergie des ions est strictement supérieure à 15 eV .
– Les effets de charge présents lors de la gravure de matériaux isolant causant une distorsion des profils de gravure.
– Les problèmes d’ARDE .
Les dégâts induits par les ions
Un plasma est composé de différentes espèces dont certaines sont très énergétiques : c’est le cas des ions et des photons . Lors de la gravure, le bombardement du substrat par des ions ou des photons énergétiques peuvent générer des dégâts à la surface ou dans le volume du matériau gravé [Yabumoto1981, Oehrlein1984, Oehrlein1989, Fonash1990, Okigawa2003, Lee2011, Fukasawa2012]. Il existe plusieurs types de dégâts structuraux : l’amorphisation, la création de chemin de diffusion dans les couches minces, la désactivation des dopants, la rupture de liaisons, la formation de liaisons pendantes et l’oxydation [Wei1984, Donnelly1999, Vallier1999, Tuda2001, Fukasawa2011, Vitale2003]. Ces dégâts vont venir endommager le matériau gravé ou la couche sous-jacente sur plusieurs nanomètres de profondeur. En effet, des simulations de dynamique moléculaire [Barone1995] ont montré que des ions de 50 eV dans un plasma de chlore créent un endommagement de la surface de silicium sur 4,5 nm environ (création d’une couche mixte). Dans le cas où le silicium est bombardé uniquement par des ions Cl+ accélérés par le potentiel plasma (énergie de 10 – 15 eV), on constate une modification du matériau sur plus de 10 Å (cf. Figure I.A.44) [Brichon2015].
Or les nouveaux transistors FDSOI (Fully Depleted Silicon on Insulator) contiennent une couche mince de silicium de 7 nm d’épaisseur. En utilisant un plasma ICP continu, cette couche serait donc endommagée sur au moins 20% de son épaisseur.
Les effets de charge
Un plasma est constitué d’ions chargés positivement qui bombardent le substrat de façon perpendiculaires (anisotropes) et d’électrons qui à l’inverse ont une distribution de vitesse isotrope. Ainsi lors de la gravure de structures isolantes à fort facteur d’aspect, le fond des tranchées va se charger positivement alors que le sommet des motifs se charge négativement. Ce phénomène va engendrer une déviation de la trajectoire des ions positifs vers les flancs des motifs créant une vitesse de gravure latérale non négligeable par rapport à la vitesse de gravure verticale et donc une distorsion des profils de gravure. Il existe plusieurs types de distorsions des profils :
– Le « bowing » : large attaque des flancs des structures.
– Le « notching » : attaque latérale des flancs localisée au fond des tranchées [Hashimoto1994].
– Le « micro-trenching » : augmentation de la vitesse de gravure au fond des tranchées à proximité des flancs des motifs [Mahorowala2002].
Les effets de charges présents dans les plasmas ICP continus constituent donc un problème de taille dans le contrôle du profil des motifs.
Vers le développement de technologies plasmas innovantes
Les procédés plasmas ICP continus utilisés actuellement dans l’industrie présentent donc de sérieuses limitations qui ne permettront pas d’atteindre les prochains nœuds technologiques. En effet, les trois principaux problèmes énoncés ci-dessus sont liés aux propriétés intrinsèques des plasmas ICP continus puisqu’ils trouvent leurs origines dans les distributions de vitesse des radicaux, des ions et des électrons du plasma. Il apparait donc impossible de s’affranchir de ses limitations sans rupture technologique majeure. Dans cette optique, le LTM s’inscrit dans une politique de développement de technologies plasmas innovantes. Ce travail de thèse se focalisera donc sur deux types de technologies:
– Les plasmas modulés en impulsions courtes ou « plasmas pulsés »
– La gravure cyclée : modification – retrait chimique par voie sèche.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I: Introduction générale et contexte de l’étude
A. Microélectronique : 70 ans de progrès
B. Les problématiques des procédés de gravure actuels
1. Les dégâts induits par les ions
2. Les effets de charge
C. Vers le développement de technologies plasmas innovantes
1. Les plasmas pulsés
2. La gravure cyclée : objectifs et principe de la technique
D. Contexte et objectifs de l’étude
Bibliographie du chapitre I
Chapitre II: Dispositifs expérimentaux et diagnostics
A. Les réacteurs de gravure
1. ICP
2. Le réacteur CCP- plasma délocalisé
B. Les diagnostics du plasma
1. La sonde de flux d’ions
2. L’analyseur en énergie des ions : RFA (Retarding Field Analyseur)
3. La spectroscopie de masse
C. L’analyse de surface
1. La spectroscopie de photoélectron X
2. La Microscopie à Force Atomique
3. La microscopie électronique
3.1. Scanning Electron Microscopy (SEM) ou
4. L’ellipsométrie
Bibliographie du chapitre II
Chapitre III: Gravure du silicium en plasma pulsé de chlore : formation d’une rugosité de surface
A. Etat de l’art de la gravure du silicium en plasma de chlore
1. Impact des paramètres de modulation sur le profil de gravure du silicium : formation d’une rugosité de surface
2. Le rapport de cycle
3. La fréquence de modulation
B. Hypothèses sur les origines de la rugosité de surface
1. Hypothèse 1 : le micro-masquage
2. Hypothèse 2 : Rugosités crées par les conditions de gravure spécifique générées par les plasmas pulsés
C. Proposition d’un mécanisme de gravure en plasma pulsé de chlore
1. Initiation de la rugosité
D. Conclusion
Bibliographie du chapitre III
Chapitre IV: Etude des plasmas pulsés de brome pour la gravure du silicium: validation de l’effet stochastique des ions
A. Etat de l’art de la gravure du silicium en plasma de brome
B. Rugosité de surface en plasma HBr
1. Influence du procédé plasma sur la rugosité de surface
2. Influence du rapport de cycle en plasma synchronisé pulsé
3. Impact de la puissance d’auto-polarisation sur la rugosité de surface
C. Cas des plasmas HBr/O2
D. Conclusion
Bibliographie du chapitre IV
Conclusion
