La gravure selective de sio2 dans les sources haute densite

Les technologies des télécommunications optiques à haut débit font actuellement l’objet de recherches et de développements sans précédent. Ceci s’explique principalement par le formidable essor du réseau internet. En effet, les communications par Internet représentent sur l’espace d’une année le volume d’informations échangées par téléphone au cours des trente dernières années. Il est donc nécessaire de développer et d’améliorer durablement les moyens de transport de l’information afin de communiquer le plus rapidement possible et de recevoir simultanément des images, du son ou de la vidéo. Jusqu’à présent, ces communications se faisaient par fibres optiques mono-longueur d’onde et amplificateurs électroniques. Dans le but d’augmenter le débit des réseaux sans changer les infrastructures existantes, le multiplexage en longueurs d’onde a été développé. Il ne s’agit plus d’envoyer dans la fibre une longueur d’onde portant l’information mais des centaines de longueurs d’onde, chacune représentant un canal d’information. Le débit est ainsi multiplié des centaines de fois en utilisant les fibres optiques déjà existantes. Ces systèmes multi-longueurs d’onde imposent de réaliser des couplages optiques entre les sources de lumière et la fibre. Ainsi, de nombreuses recherches sont menées actuellement dans le monde sur les composants optiques intégrés.

A tous les niveaux de la conception d’une architecture optique, nous nous trouvons en présence de composants faisant appel aux technologies des couches minces. En effet, la majorité des composants sont structurés sur des supports planaires (PLC : planar lightwave circuit). Ces supports sont généralement en silice [Inoue97] [Kaneko99], toutefois très concurrencés ces dernières années par des supports de type InP. Les différentes fonctions réalisées en optique s’appuient sur deux types de composants : les composants actifs et les composants passifs. Parmi les composants actifs, nous retiendrons les MEMS ou MOEMS (micro (opto)-electromechanical system) qui fonctionnent suivant le principe de micro miroirs orientables sous l’effet d’une impulsion électrique. Ils sont programmables très rapidement et permettent ainsi de changer de longueur d’onde porteuse de l’information. Les composants passifs, quant à eux, sont des éléments essentiels dans le transport des données. Nous pouvons mentionner les réseaux de guides d’onde (AWG ou phasar) qui permettent le multiplexage ou le démultiplexage des longueurs d’onde.

LA GRAVURE SELECTIVE SIO2/SI DANS LES SOURCES HAUTE DENSITE 

La gravure par plasma est utilisée depuis de nombreuses années pour réaliser des motifs dans l’oxyde de silicium. Ce procédé, réalisé dans des gaz fluorocarbonés, est toutefois extrêmement complexe puisqu’il s’appuie sur le dépôt d’un film fluorocarboné pour l’obtention d’une bonne sélectivité vis à vis du masque ou du silicium sous-jacent. Ce procédé a donc fait l’objet de nombreuses études. Les recherches se sont accentuées ces dix dernières années en raison de la difficulté à adapter les procédés développés dans les réacteurs conventionnels (type diode) aux réacteurs basse pression haute densité.

Ainsi, avant de présenter les études portant sur le mécanisme et les procédés de gravure de l’oxyde de silicium en plasma haute densité, nous allons rappeler succinctement dans cette introduction quelques résultats sur la gravure du SiO2 dans les réacteurs conventionnels.

Contrairement au silicium, la gravure spontanée de l’oxyde de silicium en milieu fluoré est très faible [Flamm89]. La gravure du SiO2 nécessite un bombardement énergétique important. Dans ce contexte, le dépôt d’un film protecteur sur le masque ou le matériau sous-jacent est nécessaire pour les protéger de cette attaque ionique (mais également chimique) et ainsi obtenir une bonne sélectivité. C’est l’approche utilisée dans les procédés plasmas de gaz fluorocarbonés. Durant l’attaque de l’oxyde, sous bombardement ionique, l’oxygène libéré réagit avec les espèces fluorocarbonées CFx à sa surface en produisant des composés volatils tel que CO2 ou COF2. L’oxygène limite donc la formation d’un film fluorocarboné à la surface de l’oxyde et contribue par là-même à une meilleure efficacité de la gravure du matériau.

En outre, la gravure de l’oxyde dépend peu de la chimie du plasma, le bombardement ionique jouant le rôle prépondérant.

Par contre, pour les matériaux ne contenant pas d’oxygène tel que le silicium, les espèces fluorocarbonées contribuent à la formation d’un film fluorocarboné en surface. Ce film limite la diffusion du fluor jusqu’à la surface du silicium [Oehrlein89] et réduit le bombardement ionique [Cardinaud88]. L’épaisseur de ce film, nettement plus importante que sur l’oxyde, dépend fortement de la chimie de la décharge [Oehrlein89]. A titre d’exemple, une augmentation de 0,5 nm à 3,5 nm est observée lors de l’addition de 40 % d’hydrogène dans CF4 [Oehrlein89]. Il est généralement admis que l’addition de H2 dans les gaz fluorocarbonés permet de diminuer considérablement la concentration en fluor dans la décharge par la formation de la molécule HF. Ainsi, la diminution de la concentration en fluor dans la phase gazeuse est, pour une part, responsable de l’augmentation de l’épaisseur du film fluorocarboné (en raison d’une plus faible gravure). Il en résulte une diminution de la vitesse de gravure du silicium conduisant à un accroissement de la sélectivité lors de l’addition de H2 à CF4 [Oehrlein89] [Ephrath79].

Intérêt majeur des sources inductives 

Comparés au réacteur diode, les réacteurs haute densité offrent l’avantage de contrôler, a priori, l’énergie des ions indépendamment de la création du plasma. Il est alors possible de faire varier l’énergie des ions arrivant sur l’échantillon à graver sans modifier les grandeurs chimiques (composition et concentration en neutres, radicaux et ions) et électriques (ne, kTe, ni, Vp, Vf) imposées par la source. Dans ce cas, la puissance rf injectée au niveau du porte-substrat ne sert qu’à accélérer les ions à travers la gaine et ainsi la puissance substrat est proportionnelle au produit Φi (Vdc – Vp).

Il s’avère que cette condition idéale n’est pas toujours remplie. En effet, des mesures de courant d’ions, effectuées dans un réacteur ECR (Electron Cyclotron Reactor) et obtenues par sonde de Langmuir, ont démontré, qu’au delà d’une certaine puissance rf appliquée au porte-substrat , il n’y avait plus de relation linéaire entre cette puissance rf et la densité de courant d’ions au niveau de l’échantillon. Cette observation suggère donc qu’une partie de la puissance rf est dissipée par un mécanisme différent de celui évoqué plus haut. Caughman et al. [Caughman91] ont fait la même constatation dans le même type de réacteur (ECR) et l’expliquent par une perte partielle de la puissance rf dans le cœur du plasma. La puissance transmise au plasma depuis le substrat peut alors modifier les grandeurs électriques du plasma (ne, kTe, ni) et, par la même, la dissociation du gaz au voisinage de l’électrode. Il devient alors très difficile de corréler les informations recueillies sur la gravure du matériau (vitesse de gravure, épaisseur et stœchiométrie de la couche fluorocarbonée en surface) aux résultats relatifs au plasma (concentrations en radicaux et ions, caractéristiques électriques) surtout si ces derniers ont été obtenus relativement loin de l’électrode.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : LA GRAVURE SELECTIVE DE SIO2 DANS LES SOURCES HAUTE DENSITE
I.1. INTRODUCTION
I.2. INTERET MAJEUR DES SOURCES INDUCTIVES
I.3. LES MECANISMES DE GRAVURE
I.3.1. MECANISME DE GRAVURE DE L’OXYDE DE SILICIUM
I.3.1.1. REGIME DE DEPOT DU FILM FLUOROCARBONE
I.3.1.2. REGIME DE SUPPRESSION DU DEPOT
I.3.1.3. REGIME DE PULVERISATION IONIQUE REACTIVE
I.3.2. MECANISME DE GRAVURE DU SILICIUM
I.4. COMPARAISON REACTEUR DIODE – REACTEUR HAUTE DENSITE
I.5. EFFET DES DIFFERENTS PARAMETRES SUR LA GRAVURE DE L’OXYDE ET DU SILICIUM
I.5.1. EFFET DE LA CHIMIE DU GAZ UTILISE
I.5.1.1. GAZ CONVENTIONNELS POUR LA GRAVURE SELECTIVE DE L’OXYDE
I.5.1.2. AJOUT D’UN GAZ INERTE (AR, HE) AU GAZ FLUOROCARBONE
I.5.1.3. NOUVELLES CHIMIES DE GRAVURE
I.5.2. EFFET DE LA PUISSANCE SOURCE
I.5.3. EFFET DE LA PRESSION ET DU TEMPS DE RESIDENCE
I.5.4. EFFET DES PAROIS DU REACTEUR
I.6. GRAVURE DE MOTIFS DE SIO2 DANS LES PLASMAS FLUOROCARBONES
I.6.1. GENERALITES SUR LA GRAVURE DE MOTIFS DE SIO2 PAR PLASMA
I.6.1.1. PHENOMENES PROPRES A LA GRAVURE DE MOTIFS
I.6.1.2. CAUSES POSSIBLES DU PHENOMENE D’ARDE
I.6.2. PRINCIPAUX RESULTATS PUBLIES
I.6.2.1. L’EFFET ¨ RIE LAG
I.6.2.2. L’EFFET ¨ RIE LAG ¨ INVERSE
I.6.2.3. L’EFFET MICROTRENCHING
I.6.2.4. L’EFFET SLOPING
I.6.2.5. L’EFFET MICROLOADING
I.6.2.6. RUGOSITE DES FLANCS
I.7. CONCLUSION
CHAPITRE II : DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET DIAGNOSTICS DE SURFACE
II.1. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
II.2. LA SPECTROSCOPIE DE PHOTOELECTRONS XPS OU ESCA
II.2.1. PRINCIPE DE PHOTO-EMISSION
II.2.2. DETERMINATION DE L’ENERGIE DE LIAISON
II.2.3. DISPOSITIF POUR L’ANALYSE XPS
II.2.3.1. LA SOURCE X
II.2.3.2. L’ANALYSEUR DISPERSIF
II.2.4. EXPLOITATION QUALITATIVE DES SPECTRES XPS
II.2.5. EXPLOITATION QUANTITATIVE DES SPECTRES XPS
II.2.5.1. ESTIMATION DE LA PROFONDEUR ANALYSEE
II.2.5.2. EPAISSEUR D’UNE COUCHE MINCE SUR UN SUBSTRAT
II.2.5.3. APPLICATION A L’EPAISSEUR D’UNE COUCHE FLUOROCARBONEE
II.2.5.4. COMPOSITION DE LA COUCHE FLUOROCARBONEE
II.3. L’ELLIPSOMETRIE
II.3.1. PRINCIPE
II.3.2. CONFIGURATION GENERALE DE L’ELLIPSOMETRE
II.3.3. MODELES UTILISES
II.3.3.1. MODELES UTILISES POUR SIO2 ET POLY-SI
II.3.3.2. FORMALISME DE CAUCHY
II.4. CONCLUSION
CHAPITRE III : DIAGNOSTICS DU PLASMA
III.1. SPECTROSCOPIE D’EMISSION OPTIQUE
III.1.1. PRINCIPE
III.1.2. DESCRIPTION DU DISPOSITIF
III.1.2.1. SYSTEME DE TRANSPORT DU SYSTEME LUMINEUX
III.1.2.2. LE MONOCHROMATEUR
III.1.2.3. LE DETECTEUR
III.1.3. ACTINOMETRIE
III.1.4. VALIDITE POUR LES DIFFERENTES ESPECES DETECTEES
III.1.4.1. ESTIMATION DE LA DENSITE ABSOLUE EN FLUOR PAR ACTINOMETRIE
III.1.4.2. VALIDITE DE L’ACTINOMETRIE POUR LES ESPECES CFX*
III.1.4.3. VALIDITE DE L’ACTIBOMETRIE POUR LA BANDE MOLECULAIRE CH*
III.2. SPECTROMETRIE DE MASSE
III.2.1. PRINCIPE
III.2.2. DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
III.2.2.1. LA CHAMBRE D’IONISATION
III.2.2.2. LE FILTRE EN ENERGIE
III.2.2.3. LE QUADRUPOLE DE MASSE
III.2.2.4. LE DETECTEUR
III.2.3. DETECTION DES IONS POSITIFS
III.2.4. ANALYSE DES NEUTRES DU PLASMA
III.2.4.1. METHODE DES SPECTRES DE FRAGMENTATION
1. Gaz résiduels
2. Spectres obtenus en plasma OFF
3. Spectres obtenus en plasma ON
4. Produits de gravure
III.2.4.2. MESURE PAR LA METHODE DU POTENTIEL D’APPARITION PRES DU SEUIL
1. Introduction
2. Exploitation des mesures
3. Détermination de la concentration en radicaux
4. Cas des plasmas de mélanges C2F6/CH4
5. Taux de dissociation du gaz
III.3. SONDE DE LANGMUIR
III.3.1. PRINCIPE ET DISPOSITIF EXPERIMENTAL
III.3.1.1. INTRODUCTION
III.3.1.2. PRINCIPE
III.3.1.3. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
III.3.2. SONDES DE LANGMUIR DANS LES PLASMAS FLUOROCARBONES
III.3.2.1. PROCEDURE EXPERIMENTALE
III.3.2.2. MESURES ET RESULTATS
III.3.3. SONDES DE LANGMUIR DANS LES PLASMAS ELECTRONEGATIFS
III.3.3.1. SPECIFICITE DES PLASMAS ELECTRONEGATIFS
1. Ions négatifs
2. Passage couplage capacitif – couplage inductif
3. Effet sur les caractéristiques électriques de la décharge
III.3.3.2. RESULTATS EXPERIMENTAUX
1. Instabilités dans les plasmas de O2
2. Zones d’instabilités dans les plasmas électronégatifs
3. Instabilités dans les plasmas de C2F6/CH4
4. Flux d’ions dans les plasmas fluorocarbonés électronégatifs
5. L’actinométrie pendant les instabilités
III.4. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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