Mécanismes élémentaires en plasma de BCl3

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Le transistor MOS

La technologie CMOS est actuellement la technologie dominante dans le domaine de la microélectronique car elle a atteint une bonne maturité de développement du fait de son « ancienneté ». Pour les mêmes raisons et du fait de l’échelle de production importante, c’est également une technologie peu coûteuse. De larges gammes de composants sont basées sur la technologie CMOS comme des microprocesseurs, des mémoires, certains types de capteurs ou des circuits intégrés d’applications spécifiques.
L’avantage principal de cette technologie est sa faible dissipation de puissance qui permet de produire des circuits peu consommateurs en énergie et donc adaptés aux utilisations embarquées. De plus, son faible encombrement sur le substrat autorise une intégration dense des transistors. Nous aborderons ici le principe de fonctionnement d’un transistor de type MOS (voir section 1.1.2.1) et sa technique de fabrication (voir section 1.1.2.2), puis les défis technologiques que présente actuellement la diminution des dimensions (voir section 1.1.3.1) et la nécessité d’intégrer de nouveaux matériaux dans la structure du transistor (voir section 1.1.3.2).

Principe de fonctionnement et structure

Le principe de fonctionnement d’un transistor MOS repose sur l’effet de champ qui consiste à moduler de façon électrostatique une densité de charges mobiles dans un semi-conducteur. En effet, l’empilement métal/oxyde/semi-conducteur peut être comparé à un condensateur constitué de deux électrodes (le métal et le semi-conducteur) entourant un isolant (l’oxyde). Quand une tension est appliquée entre les électrodes, des charges de signe opposé s’accumulent de part et d’autre de l’oxyde de grille. Si maintenant une différence de potentiel est appliquée entre les deux extrémités de l’électrode semiconductrice, les charges ainsi créées sont mises en mouvement comme schématisé sur la Figure I-1(cas d’un transistor de type P).

Etapes de fabrication

Un circuit intégré est composé d’une puce encapsulée dans un boîtier qui assure une double fonction. D’une part la protection de la puce et d’autre part il permet de connecter la puce à un montage électronique par l’intermédiaire des pattes du boîtier. La puce est le cœur du circuit intégré qui réalise des fonctions complexes de calcul et elle est composée d’un très grand nombre (variable suivant les applications visées) de composants élémentaires de type transistor qui sont intégrés sur un même substrat, le plus souvent en silicium, et reliés entre eux afin de constituer des fonctions logiques. Plusieurs circuits intégrés sont fabriqués en même temps sur le substrat de silicium qui peut subir près d’une centaine d’étapes de fabrication : dépôts de couches minces isolantes ou conductrices, gravures, attaques chimiques, traitements thermiques, dopage par implantation ionique, nettoyage… L’ensemble de ces opérations doit être effectué dans un environnement ultra-propre (salle blanche) car la présence de particules conduit à des défauts électriques qui compromettent le fonctionnement des dispositifs. Lorsque l’ensemble des étapes de fabrication est réalisé, la plaque de silicium qui regroupe plusieurs fois le même circuit intégré est découpée en pastilles. Les pastilles sont ensuite montées dans les boîtiers et les circuits sont testés individuellement afin d’éliminer les composants hors spécifications.
La fabrication des circuits intégrés peut être divisée en deux grandes parties : les étapes technologiques concernant la réalisation des dispositifs actifs (étapes dites de « front-end ») et celles concernant la réalisation des interconnexions entre les transistors (étapes dites de « back-end »). Cette thèse est directement liée aux étapes de fabrication front-end.
Le front-end
Le substrat initial consiste en une plaque de silicium monocristallin de 200 mm ou 300 mm de diamètre. Les étapes de réalisation des transistors MOS sont les suivantes :
– Formation de l’isolement entre les dispositifs par des tranchées remplies d’oxyde
– Implantation des caissons de type N ou P
– Dépôt du matériau diélectrique de grille (SiO2 ou matériau high-k)
– Dépôt du (des) matériau(x) de l’électrode de grille : poly-silicium dopé; ou métal puis poly-silicium dopé
– Formation du masque par photolithographie
– Gravure de l’ensemble de l’empilement de grille par plasma. Nous rappelons que l’objectif de ce travail de thèse vise à contrôler la gravure du dernier matériau de l’empilement, à savoir le diélectrique de grille.
– Formation des zones de source et drain par implantation ionique et réalisation des espaceurs en SiO2 ou Si3N4 qui permettent l’isolation de la grille.
– Réalisation des premières interconnexions locales après siliciuration des zones de source, drain et grille
La Figure I-3 présente un transistor de type MOS après la réalisation de l’ensemble des étapes de front-end.

Les réacteurs de gravure

Le LTM dispose de deux plates-formes expérimentales de gravure, l’une acceptant des substrats de 200 mm de diamètre et l’autre des substrats de 300 mm. Chacune de ces platesformes est constituée de réacteurs de gravure industriels de la société Applied Materials modifiés pour recevoir des outils de caractérisation in-situ qui seront décrit à la section 2.2.1. Ces réacteurs sont connectés entre eux ainsi qu’à une chambre d’analyse XPS par un système de transfert sous vide.

La plate-forme de gravure 200 mm

Le bâti de gravure, commercialisé sous le nom de Centura 5200, est constitué de deux sas de chargement pouvant contenir 25 plaques chacun, d’une chambre de transfert sous vide équipée d’un bras robotisé, d’une chambre d’alignement permettant d’orienter les plaques par rapport à leur encoche et de trois réacteurs de gravure ainsi que d’une chambre de transfert vers l’outil d’analyse XPS. Une vue d’ensemble de la plate-forme est présentée en Figure II-1.
Les trois chambres de gravure sont :
Un réacteur de type MERIE (Magnetically enhanced reactive ion etching): équipé d’une source à couplage capacitif, il est utilisé pour la gravure de certains matériaux diélectriques.
Un réacteur DPS+ (decoupled plasma source): équipé d’une source à couplage inductif et d’un porte-substrat chauffant, ce réacteur est destiné à la gravure des métaux et oxydes métalliques.
Un réacteur DPS (decoupled plasma source): équipé d’une source à couplage inductif, ce réacteur est dédié à la gravure des grilles de transistor en poly-silicium et métalliques.
C’est dans ce dernier réacteur (Figure II-2) qu’ont été effectuées les études sur substrats 200 m présentées dans ce manuscrit.
La puissance source, qui est fournie au plasma par couplage inductif à travers la fenêtre diélectrique en Al O 2 3 grâce à l’antenne et permet de contrôler la densité des ions, peut être réglée de 0 à 2000 W et est appliquée à une fréquence de 12,56 MHz. La puissance de polarisation du substrat (ou puissance bias), qui permet de contrôler l’énergie des ions indépendamment de la puissance source, est appliquée grâce au porte-substrat est peut être réglée de 0 à 190 W (suivant le mélange gazeux injecté et la pression imposée, il peut y avoir un risque de former un arc dans le plasma pour une puissance de polarisation trop importante). Des boîtes d’accord, dont le schéma est présenté en Figure II-3, permettent d’adapter à 50 : l’impédance vue par les générateurs RF pour limiter la puissance réfléchie et assurer ainsi un bon transfert de la puissance au plasma. Pour cela, les valeurs des condensateurs C1 et C2 sont ajustées par asservissement pendant le procédé plasma.

Les moyens de caractérisation

Des techniques de caractérisation variées ont été utilisées pour cette étude. Des outils de diagnostiques sont montés directement sur les réacteurs de gravure et permettent des analyses in-situ du plasma ou des substrats. D’autres techniques sont accessibles ex-situ pour obtenir des informations complémentaires. Les différents moyens de caractérisation mis en œuvre sont présentés dans cette partie.

Moyens in-situ

Ellipsométrie spectroscopique et cinétique

Les épaisseurs de couches minces et les modèles de dispersion des matériaux ont été mesurés grâce à l’ellipsométrie. L’ellipsomètre monté sur le réacteur 200 mm est un modèle FUV 200 de la société Jobin-Yvon. Il permet de réaliser des mesures spectroscopiques avant et après exposition du substrat au plasma, sans avoir besoin de remettre à l’air les plaques étudiées et également de réaliser des études cinétiques pendant le procédé plasma.
Il s’agit d’un ellipsomètre spectroscopique à modulation de phase. La source de lumière est une lampe à Xénon de 150 W, le polariseur et l’analyseur sont de type Glan et présentent un taux d’extinction de 10-5. La sélection en longueur d’onde est assurée par le monochromateur et la détection est réalisée grâce à un photomultiplicateur. La modulation de phase est réalisée à l’aide d’un modulateur biréfringent constitué d’un barreau photoélastique thermostaté à 30°C. Une description plus détaillée des différents éléments constituant un ellipsomètre ainsi que la théorie des mesures ellipsométriques sont disponibles aux références [1] et [2].
Dans notre cas, les acquisitions sont réalisées de 1,5 à 5 eV avec un incrément de 0,05 eV et un temps d’intégration de 200 ms. Les spectres ainsi obtenus sont traités avec le logiciel ‘<2 de Jobin-Yvon. Les modèles de dispersion sont connus pour les substrats utilisés, et dans le cas d’un dépôt le modèle de dispersion est approché par un modèle de Lorentz grâce à un algorithme de Marquardt. Ces mesures spectroscopiques permettent donc d’obtenir les épaisseurs de chaque matériau dans un empilement multicouches ainsi que les modèles de dispersion des matériaux non connus.
D’autre part, il est possible d’effectuer des acquisitions en temps réel et en mode multilongueur d’onde pour suivre les cinétiques de dépôt ou de gravure sur les substrats étudiés. Pour ces acquisitions, 13 longueurs d’ondes sont utilisées de 1,5 à 4,3 eV avec une fréquence d’acquisition de deux points par seconde. Un programme MatLab développé au laboratoire permet ensuite d’obtenir l’épaisseur de la couche étudiée en fonction du temps, le reste de l’empilement restant invariant. Dans le cas de la gravure, on s’intéressera donc à la diminution de l’épaisseur du HfO , du SiO 2 2 ou du silicium en fonction du temps. Dans le cas d’un dépôt, on suivra la croissance de la couche déposée. Dans tous les cas, les acquisitions spectroscopiques initiales et finales nous permettent de vérifier la validité des points de départ et d’arrivée des résultats cinétiques.
L’ellipsomètre monté sur le réacteur 300 mm présente globalement les mêmes caractéristiques et le même type d’acquisitions a été réalisé qu’en 200 mm.

Spectroscopie de photoélectrons à rayons X

Les réacteurs de gravure 200 et 300 mm sont tous deux connectés à une chambre d’analyse XPS via un système de transfert sous vide. Cette particularité, peu répandue dans le domaine de la recherche, permet d’étudier les fines couches réactives se formant sur les surfaces des substrats exposés à un plasma sans qu’elles soient détériorées ou contaminées par une remise à l’air. Les deux outils d’analyse XPS présentant des caractéristiques différentes, ils seront tous deux présentés dans ce paragraphe.
La technique d’analyse XPS consiste à irradier le matériau avec des photons X d’énergie connue afin d’arracher des électrons de cœur aux atomes de l’échantillon à étudier. Un détecteur collecte ensuite ces photoélectrons et leur énergie cinétique permet de déduire leur énergie de liaison dans la matrice analysée grâce au bilan énergétique: hQ= E + E l c Équation II-1 où hQ est l’énergie connue des photons X incidents (énergie connue), Ec est l’énergie du photoélectron collecté, et El est l’énergie de liaison d’un niveau de cœur par rapport au niveau du vide.
Pour plus de précisions sur la théorie de l’XPS et ses applications, il est possible de se référer aux articles des Techniques de l’Ingénieur consacrés à ce sujet3,4. x L’XPS 200 mm
La chambre d’analyse XPS fabriquée par MECA 2000 et utilisée dans le cadre de cette thèse est représentée Figure II-6. Elle est équipée de deux sources de photons X, d’un analyseur de photoélectrons X (Fisons Surface Systems ESCALAB 220i), d’un canon à électrons (VG modèle 41) et de deux systèmes de chargement (un pour les petits échantillons, l’autre pour des plaques de silicium de 200 mm). Pour ce type d’analyse de surface, il est important de travailler sous ultra-vide pour limiter au maximum l’adsorption de molécules polluantes (H O, CO, O 2 2…) sur la surface de l’échantillon et donc pour garder une surface d’analyse propre. Le pompage est effectué par une pompe ionique d’une capacité de 300 l/s, couplée d’une pompe à sublimation de titane refroidie par eau qui maintient la chambre sous ultravide à une pression de base de 10-10 Torr. Une autre pompe ionique (Varian, d’une capacité de 8 l/s) est localisée entre la source Mono AlKDet le monochromateur. La pression durant les analyses XPS demeure constante et se situe autour de 5.10-10 Torr.

Moyens ex-situ

De nombreuses techniques de caractérisation sont disponibles sur le site du CEA-LETI. Pour certains outils, il est possible de faire une demande d’analyse qui sera traitée par le service de caractérisation compétent, et d’autres équipements sont directement accessibles en libre service pour les utilisateurs ayant reçu la formation requise.

Microscopie électronique à balayage

La microscopie électronique à balayage (MEB) est la technique d’imagerie de surface la plus fréquemment utilisée pour observer des structures de taille sub-micronique. C’est un moyen rapide et efficace pour étudier la morphologie de l’échantillon analysé. Elle donne des informations sur les dimensions des structures observées et les épaisseurs des différentes couches de l’échantillon. Le principe de fonctionnement du microscope électronique à balayage est le suivant : une source émet un faisceau d’électrons, qui sont fortement accélérés (jusqu’à une énergie de 30 keV dans notre cas). Ce faisceau est focalisé sur la surface de l’échantillon, et balaye la surface à observer : les électrons secondaires de faible énergie, résultant des chocs inélastiques entre les électrons du faisceau incident et ceux du matériau analysé, sont émis à partir de la surface (étant donné que les électrons secondaires ont par définition une énergie cinétique faible, seuls ceux créés à proximité immédiate de la surface seront détectés). L’enregistrement de ce signal d’électrons secondaires en fonction des paramètres de balayage permet de reconstituer une image essentiellement topographique de la surface de l’échantillon.
Cette technique d’analyse possède un plus fort grandissement (jusqu’à fois 1 000 000 pour les MEB haute résolution) et une plus forte profondeur de champ que la microscopie optique, avec l’obtention d’une résolution latérale de l’ordre de 3 nm. Des observations réalisées en vue de dessus ou en section (après clivage) sont possibles : la première sert à analyser la surface de l’échantillon alors que la seconde renseigne sur la morphologie des profils, après gravure. Le MEB utilisé au cours de ce travail de thèse est un HITACHI S5000 et cet outil nous a permis de caractériser nos procédés en termes de profil et d’état de surface (observation des résidus de gravure).

Microscopie à force atomique

La microscopie à force atomique est une technique de microscopie en champ proche permettant d’étudier la surface d’un échantillon en exploitant les forces d’interactions existant entre la surface et la pointe du microscope. Dans notre cas, seule la topographie de surface a été étudiée pour en extraire une information sur la rugosité de surface. Un AFM est constitué d’une fine pointe supportée par un levier, d’un détecteur optique et d’un système de positionnement de l’échantillon. Dans le cas de notre AFM, qui permet d’analyser des plaques 200 et 300 mm entières, l’échantillon est fixe et c’est la pointe qui effectue un balayage en x et y pour couvrir la surface à analyser. Un faisceau laser est réfléchi sur le levier vers une photodiode à quatre cadrans. La déflection du levier peut ainsi être connue en temps réel et enregistrée en fonction de la position en x et y. La pointe est mise en régime d’oscillation forcée, à une fréquence proche de la fréquence propre du levier, par excitation du levier grâce à un système piézoélectrique. Nos mesures sont réalisées en mode tapping, c’est-à-dire que le levier effectue de grandes oscillations et la pointe vient toucher la surface périodiquement. La majorité du temps, la pointe n’étant pas en contact avec la surface, les forces d’interaction sont faibles. Lorsque la pointe entre en contact avec la surface, l’amplitude des oscillations diminue du fait de la perte d’énergie due à l’impact. Ces écarts d’amplitude sont corrigés par une boucle de régulation en déplaçant la pointe verticalement pour retrouver l’amplitude d’oscillation de consigne. La pointe étant maintenue à distance constante de la surface pendant le balayage de la zone à analyser, il est possible de remonter à la topographie de surface13, , 14 15.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Contexte de l’étude et généralités
1.1. Les enjeux de la miniaturisation en microélectronique
1.1.1. Historique de la microélectronique
1.1.2. Le transistor MOS
1.1.2.1. Principe de fonctionnement et structure
1.1.2.2. Etapes de fabrication
Le front-end
Le back-end
1.1.3. Les défis technologiques liés à la miniaturisation
1.1.3.1. Problèmes de fonctionnement liés à la miniaturisation
Les effets parasites du transistor MOS à canal réduit
Courant de fuite à travers l’oxyde
Déplétion de grille et pénétration du bore
1.1.3.2. Une solution aux problèmes de fonctionnements : les nouveaux empilements de grille
Introduction du matériau à forte permittivité diélectrique
Introduction du métal
1.2. La gravure plasma
1.2.1. Généralités sur les plasmas
1.2.2. Les réacteurs de gravure plasma pour la microélectronique
1.2.2.1. Les sources à basse densité
Source RIE (reactive ion etching)
Source MERIE (magnetically enhanced reactive ion etching )
1.2.2.2. Les sources à haute densité
Source micro-onde et ECR (transformer coupled plasma)
Source ICP ( inductively coupled plasma)
1.2.3. La gravure par plasma et ses enjeux en microélectronique
1.2.3.1. Les mécanismes de gravure par plasma
La gravure chimique
La gravure physique,
La gravure plasma
1.2.3.2. Les objectifs de la gravure
La sélectivité
L’anisotropie de gravure et le contrôle de la dimension critique
L’uniformité macroscopique
L’uniformité microscopique
L’effet du taux d’ouverture ou « macroloading »
La reproductibilité
1.3. Etat de l’art de la gravure de HfO et objectifs de la 2 thèse
1.3.1. Etat de l’art de la gravure de HfO et matériaux 2 high-k proches
1.3.1.1. Gravure humide
1.3.1.2. Gravure par plasmas
Chimies fluorées
Gravure en plasma de BCl3
1.3.2. Objectifs de la thèse
1.4. Bibliographie du Chapitre I
Chapitre II : Dispositifs expérimentaux
2.1. Les réacteurs de gravure
2.1.1. La plate-forme de gravure 200 mm
2.1.2. La plate-forme de gravure 300 mm
2.2. Les moyens de caractérisation
2.2.1. Moyens in-situ
2.2.1.1. Ellipsométrie spectroscopique et cinétique
2.2.1.2. Spectroscopie de photoélectrons à rayons X
2.2.1.3. Système de détection de fin d’attaque
2.2.1.4. Spectrométrie de masse
2.2.2. Moyens ex-situ
2.2.2.1. Microscopie électronique à balayage
2.2.2.2. Microscopie à force atomique
2.2.3. Moyens annexes
2.2.3.1. La microscopie électronique en transmission
2.2.3.2. L’ICP-MS
2.2.3.3. La diffraction des rayons X
2.2.3.4. L’AFM 3D
2.2.3.5. La sonde de flux ionique
2.3. Les substrats
2.3.1. Les photolithographies
2.3.2. Le matériau HfO2
2.3.3. Les autres matériaux étudiés
2.3.3.1. Silicium et poly silicium
2.3.3.2. SiO2
2.3.3.3. SiGe et Ge
2.4. Bibliographie du chapitre II
Chapitre III : Mécanismes élémentaires en plasma de BCl3
3.1. Mécanismes élémentaires de gravure
3.1.1. Impact de la puissance de polarisation sur les vitesses de gravure
3.1.1.1. Etude statique
3.1.1.2. Etude cinétique des vitesses de dépôt et gravure
3.1.2. Analyses XPS des surfaces après exposition au plasma
3.1.2.1. Protocole expérimental
Acquisitions à 45°
3.1.2.2. Analyses des surfaces après dépôt (sans polarisation)
Quantifications
Etude des spectres
Profils de concentration
3.1.2.3. Analyses des surfaces après gravure
Quantifications
Etude des spectres
Profils de concentration
3.1.3. Conclusion sur les mécanismes impliqués
3.2. Impact des paramètres plasma sur les procédés
3.2.1. Impact de la puissance source
3.2.1.1. Influence sur le dépôt sans polarisation du substrat
3.2.1.2. Influence sur les vitesses de gravure
3.2.2. Impact du débit de gaz
3.2.2.1. Influence sur le dépôt sans polarisation du substrat
3.2.1.2. Influence sur les vitesses de gravure
3.2.3. Mélanges de gaz
3.2.3.1. Mélange BCl3/Cl2
3.2.3.2. Mélange BCl3/Ar
Etude sans polarisation appliquée au substrat
Etude avec polarisation du substrat
3.3. Gravure sélective de HfO2 par rapport au SixGe1-x
3.4. Conclusion du chapitre III
3.5. Bibliographie du chapitre III
Chapitre IV : Impact de la nature des parois du réacteur
4.1. Analyse et conditionnement des parois
4.1.1. Technique d’analyse XPS des parois
4.1.2. Les types de parois étudiés
4.2. Impact des parois sur le régime de dépôt
4.2.1. Etude du dépôt formé sur les substrats
4.2.1.1. Régime stationnaire
4.2.1.2. Régime transitoire
4.2.1.3. Analyses XPS des substrats
4.2.2. Impact du conditionnement des parois sur les procédés plasma
4.2.2.1. Impact électrique sur le plasma
4.2.2.2. Impact chimique sur le plasma
Nature des dépôts formés sur les parois
Mise en évidence de l’impact du dôme
Etude du plasma pas spectroscopie d’émission optique
Etude du plasma par spectrométrie de masse
-7-4.2.2.3. Impact sur les procédés (en régime de dépôt)
4.3. Conditions de gravure
4.3.1. Vitesses de gravure
4.3.2. Analyses XPS des substrats
4.3.3. Impact de la puissance de polarisation
4.4. Conclusion sur l’impact des parois
4.5. Bibliographie du Chapitre IV
Chapitre V : Mise au point de procédés de gravure de HfO2 dans un empilement de grille
5.1. Description des procédés de gravure de l’empilement de grille
5.1.1. Gravure du poly-silicium et du métal
5.1.1.1. Ouverture du masque dur
5.1.1.2. Gravure du poly-silicium et de TiN
5.1.1.3. Gravure de HfO2
5.2. Profils de gravure et analyses des couches de passivation
5.2.1. La technique d’analyse topographique chimique par XPS
5.2.2. Résultats des analyses des flancs
5.2.3. Profils de gravure
5.3. Etude de la surface de silicium après gravure de HfO2
5.3.1. Rugosité de surface et résidus après gravure de HfO2
5.3.2. Evolution de la rugosité pendant la gravure de HfO2
5.4. Retrait du polymère de bore après gravure en plasma de BCl3
5.5. Procédés complets retenus pour la gravure de HfO2 et le retrait de BxCly
5.6. Nettoyage des parois du réacteur
5.7. Conclusion du chapitre V
5.8. Bibliographie du chapitreV
Conclusion générale

Télécharger le rapport complet