Les défis de la gravure contact en double patterning

Nous avons vu que de nombreuses étapes étaient nécessaires à la gravure des contacts en double patterning. La première étape de patterning permettant la formation du masque dur de TiN est une gravure qui a largement été étudiée dans le domaine du BEOL, qui utilise des masques de TiN pour certaines étapes de formation des interconnexions depuis les générations 65 nm [M.Dar2007, R.Bou2009, J.Duc2010]. Toutefois, le procédé de gravure des contacts en présence de deux masques durs et particulièrement du masque dur de TiN pour atteindre les spécificités requises en termes de géométrie et de dimension pour la technologie 14FDSOI porte de nombreuses problématiques dans la définition des contacts. Au cours de cette thèse nous allons étudier et développer le procédé de gravure des contacts de la deuxième étape du double patterning réalisée dans un réacteur CCP. Dans cet objectif plusieurs des problématiques liées aux spécificités du procédé de gravure des contacts en double patterning sont présentées sur la figure I-21. Ces problématiques sont principalement liées au contrôle dimensionnel des structures à graver par deux masques durs et par l’introduction du masque dur de TiN

Figure I-21 : Principales contraintes associées à la gravure des contacts en double patterning avec double masque OPL/TiN

Chapitre I : Introduction générale

1. Gravure du masque d’OPL

Après la gravure du masque de SiARC, la gravure de l’OPL permet de générer le second masque dur du double patterning. Cette gravure définit le CD des contacts dans la direction verticale tout en définissant les zones des contacts dans les différentes structures du circuit. Les dimensions de largeur et de longueur requises pour ce motif peuvent être très différentes selon les structures comme le montre la figure I-22 qui présente les formes de contact dans les zones d’oscillateurs en anneaux (Ring Oscillators – RO) et de mémoire vive statique (Static Random Access Memory – SRAM).

Un contrôle des dimensions et des profils du masque durant l’étape de gravure sont nécessaires. Ainsi, le procédé de gravure de l’OPL doit permettre une relative anisotropie de gravure et doit limiter les effets d’« undercut » sous le masque de SiARC et de « bowing » sur les flancs du masque d’OPL. La préservation du masque de SiARC est importante pour transférer correctement le motif dans le masque d’OPL. De plus, au vue de la diversité de motifs requis pour le masque d’OPL selon la zone des contacts à définir, des effets de « microloading » peuvent être suspectés et nécessitent un temps de sur-gravure adapté pour que le masque d’OPL soit complétement ouvert dans toutes les zones sans élargir le CD du motif (cf. figure I-22). Durant la surgravure, la chimie utilisée pour la gravure du masque d’OPL est en interaction avec le masque dur de TiN. Cette chimie de gravure doit être adaptée à la présence du masque de TiN pour conserver sa nature et sa forme dans l’optique d’un transfert correct du motif des contacts dans l’empilement SiO2/Si3N4. Ainsi le choix de la chimie de gravure de l’OPL est important dans

cette étape et nécessite que cette gravure soit anisotrope et préserve les masques de SiARC et de TiN. Dans ces travaux, nous nous focaliserons sur la gravure des contacts dans les zones des RO. Le chapitre III est dédié à cette problématique à travers l’étude de deux procédés de gravure de l’OPL : en chimie oxydante ou en chimie réductrice.

2. Gravure des couches SiO2/Si3N4

Durant le transfert des contacts, la gravure de ces couches doit être anisotrope et très sélective par rapport aux masques durs comme nous l’avons énoncé au paragraphe précédent. Toutefois des facettes peuvent se produire sur les flancs du masque durant la gravure des couches SiO2 et Si3N4 à travers un

phénomène de facettage qui peut induire des profils pentus [M.Dar2007]. De plus cette consommation du masque peut provoquer dans le plasma des effluents de gravure issus du masque qui, s’ils sont peu volatils, peuvent se redéposer sur les matériaux et générer des déformations. En effet, dans le domaine du BEOL il a été mis en évidence pour des gravures de low-k (SiOCH) en plasmas fluorocarbonés avec des

Figure I-22 : Observations SEM en vue de dessus après l’étape de gravure du masque d’OPL dans les systèmes RO et SRAM

masques de TiN que, malgré une sélectivité importante avec le masque, du titane se retrouve dans la phase gazeuse, et vient former des composés de type TiFx (x ≤ 3) peu volatils à 60 °C (température à

laquelle les gravures sont réalisées pour augmenter la volatilité des sous-produits du masque en TiN par rapport à la température ambiante). Ces sous-produits de gravure TiFx, peuvent par la suite se redéposer

sur les flancs des motifs et conduire à d’importantes distorsions de profil [M.Dar2007, M.Dar2010]. D’autres phénomènes peuvent se produire durant cette gravure, tels que des phénomènes de bowing des flancs du contact. Dans ce type de gravure, des effets d’ARDE peuvent également survenir et nécessiter une gravure avec un flux d’ions/flux neutres suffisamment important [O.Jou1994]. Au final, la gravure doit permettre d’obtenir des profils le plus droit et avec le moins de striations possibles pour permettre après l’étape de gravure et de retrait du masque un bon dépôt de la barrière de titane et un bon remplissage du contact en tungstène. Au chapitre IV, nous montrerons l’impact de l’étape de gravure de l’OPL sur la gravure des contacts dans l’empilement SiO2/S3iN4 et l’impact de la présence du

masque de TiN sur cette gravure.

3. Résidus post gravure et traitement après gravure

Avec l’intégration d’un masque en TiN dans la stratégie de masquage des contacts, des résidus à base de titane peuvent être générés après la gravure lors de la remise à l’air par une interaction entre les éléments fluorés formés durant la gravure en surface du TiN et l’air. En effet, dans le domaine des gravures BEOL, Il a été mis en évidence que des cristaux à base de titane peuvent se former à la surface des masques de TiN quelques heures après les procédés de gravure des diélectriques en plasmas fluorocarbonés [N.Pos2010] (cf. chapitre V-1). Ces cristaux conduisent à des défauts dans les lignes et vias de cuivre (interconnexions) après les étapes de métallisation. Le temps d’enchaînement entre les étapes de gravure et de nettoyage doit donc être le plus faible possible pour limiter cette croissance. Ainsi de nombreuses techniques ont été développées pour limiter cette croissance [N.Pos2011].Parmi elles, des traitements post gravure à base de plasma riche en carbone semblent donner les résultats les plus probants en retardant cette croissance de plus de 24 h [R.Bou2009, N.Pos2011]. Le chapitre V est dédié à l’étude de cette problématique dans le cadre de gravure des contacts.

4. Dommages du siliciure

Une problématique des contacts concerne les dommages réalisés en fin de gravure sur le siliciure en fond de contacts. En effet, une modification de la nature du matériau peut être réalisée par une interaction avec les ions (pulvérisation préférentielle du siliciure NiPtSi) et les neutres (fluorination de la surface du siliciure) générés par le plasma fluorocarbonés [D.Ris2013]. Cette modification de la nature du siliciure en fond des contacts peut entrainer une augmentation de la résistance des contacts ce qui est néfaste pour les performances électriques du dispositif. Cette problématique n’est pas discutée au cours de cette thèse même si elle reste un enjeu majeur dans les gravures des contacts.

Chapitre I : Introduction générale

gravure du masque et du matériau …), les conditions des procédés sont modifiées. Dans l’industrie, il est nécessaire que l’état des parois soit reproductible et par conséquent contrôlé. Ainsi, il est nécessaire que l’effet de chaque étape du procédé sur les parois soit identifié pour pouvoir développer des stratégies de nettoyage adaptées [T.Chev2010]. Dans le cadre des gravures de diélectriques, l’introduction de masque dur de TiN peut entrainer une contamination de la chambre de nature métallique qui peut causer :

 une défectivité durant le procédé de gravure par un re-dépôt d’élément de titane sur la plaque pouvant causer par exemple des phénomènes de micro-masquage durant la gravure du diélectrique [M.Bak2013]. Le phénomène de micro-masquage est un arrêt local de la gravure dû au dépôt de particules très sélectives vis-à-vis du matériau à graver qui se grave de manière anisotrope par rapport à ces particules formant des « pics » denses en surface du matériau.  une modification des paramètres du plasma par une interaction entre les éléments métalliques

et les espèces du plasma (densité d’espèces réactives  vitesse de gravure).

D’autres contaminants formés au cours de la gravure des diélectriques tels que des dépôts fluorocarbonés sur les parois peuvent induire des effets mémoire lors de la gravure d’une autre plaque ou durant les étapes de retrait des masque carbonés (« strip ») qui provoquent une réémission d’éléments fluorocarbonés qui induisent une dégradation des profils de gravure en bord de plaque (non- uniformité). Pour minimiser ces effets :

 la température des parois et de l’électrode supérieure du réacteur de gravure sont maintenues à 150°C

 des stratégies de nettoyage à base d’oxygène sont mises en place après chaque plaque gravée.