Nous avons vu au cours des parties précédentes que le plasma d’hélium n’induit pas de modification dans la composition chimique du matériau : les mesures MIR ne montrent pas de variation des concentrations des liaisons Si-H et N-H, de plus des analyses SIMS (non présentées ici) ne montrent pas de variation dans le rapport des concentrations [Si]/[N]. Les ions He+ du plasma d’hélium sont donc les seuls acteurs de la modification du matériau, les photons ont éventuellement un rôle qui reste limité : ils n’accélèrent pas la gravure lorsqu’ils interagissent seuls avec le SiN. La modification du matériau est donc purement due à l’action physique du bombardement ionique.
Plusieurs types de défauts créés par les impacts ioniques sont susceptibles d’accélérer la gravure du SiN en HF :
- La rupture de liaisons covalentes génère des liaisons pendantes (électrons libres), des doublets non liants, ou des trous sur les atomes de Si ou N qui deviennent alors des sites réactifs pour les espèces fluorées. La figure 86 présente un mécanisme de réaction pour la gravure du SiN en solution de HF proposé par Knotter et al. Il met en évidence que la rupture de liaisons Si-N par les ions He+ (passage à l’étape D) va accélérer le remplacement des groupes SiNHx par SiF.
- Le passage des ions dans le matériau génère probablement des chemins de diffusion pour les espèces fluorées de la solution aqueuse de HF responsables de la formation des liaisons Si-F.
- Des cavités et des bulles semblent être présentes sur les précédentes images de microscopie TEM (cf. figure 79c). Elles constituent autant de défauts qui vont fragiliser le matériau par augmentation de la pression générée par les atomes d’hélium.
Figure 86 : Mécanisme de réaction proposé pour l’étape limitante de la dissolution du SiN en solutions de HF : remplacement d’un groupe SiNHx par SiF [Knotter and Denteneer 2001].
6 - Conclusion
Nous avons caractérisé en première partie de ce chapitre le plasma d’hélium en mesurant les flux d’ions He+ et leur énergie pour l’ensemble de nos conditions de plasma. L’effet des différents paramètres contrôlant le plasma sur la gravure du SiN en bain de HF a été étudié. Les résultats observés sont bien décrits en considérant que la modification du SiN est pilotée uniquement par le bombardement ionique du plasma et se corrèlent très bien avec les images de microscopie TEM et les simulations d’implantation des ions sous SRIM.
L’épaisseur de matériau modifié dépend en premier lieu de l’énergie des ions. De plus, la vitesse de gravure de la couche de matériau modifié croit lorsque cette énergie d’implantation augmente et également lorsque la dose d’ions reçue augmente. Les défauts créés par les ions sont très probablement des liaisons pendantes sur les atomes de Si et N, des chemins de diffusion et des cavités qui favorisent l’attaque par les espèces fluorées de la solution de HF. La meilleure sélectivité (matériau modifié / matériau non modifié) est obtenue en plasma ICP à forte puissance source (1000 Ws) où le matériau reçoit une forte dose sur une faible épaisseur.
Les observations FTIR indiquent que le matériau n’est pas modifié en terme de composition chimique puisque les quantités de liaisons Si-H et N-H sont inchangées, tout comme le rapport des concentrations [Si]/[N] mesuré en SIMS. Enfin aucun effet des photons seuls n’est visible sur la vitesse de gravure du matériau.
Chapitre V
Étude de la modification du SiN en plasma de H
21 - Caractérisation du plasma d’hydrogène 116
1.1- Mesures du flux d’ions 116
1.2 - Mesures de l’énergie des ions 117
1.3 - Nature des ions 119
1.4 - Effet de la pression 128
1.5 - Effet de la modulation en impulsions du plasma 129
2 - Mesures cinétiques de la gravure du SiN : comparaison H2 / He 132
3 - Étude paramétrique 133
4 - Caractérisation du matériau SiN modifié 136
4.1 - Observations STEM 136
4.2 - Simulation de la pénétration des ions sous SRIM 136
4.3 - Quantifications MIR des liaisons Si-H et N-H 138
4.4 - Analyses SIMS 139
4.5 - Effet des photons 141
5 - Mécanismes de modification et de gravure du SiN 144
5.1 - Rôle des radicaux H 144
5.2 - Régime stationnaire dans la couche de SiN modifié 146
6 - Conclusion 151
L’étude du chapitre précédent en plasma d’hélium a permis de mettre en évidence que la modification du SiN à l’origine de sa gravure rapide était due aux dégâts provoqués par le bombardement ionique. Les vitesses de gravure en HF se corrèlent très bien avec les profils d’implantation des ions simulés sous le logiciel SRIM. En plasma d’hydrogène interviennent également les radicaux H dans la modification du SiN. Une transformation chimique du matériau s’opère en plus de la modification par les ions et permet d’obtenir une sélectivité entre matériau modifié et non modifié bien meilleure lors du retrait du matériau modifié en bain chimique de HF : à 10 mT pour des puissances de 1000 Ws et 200 Wb cette dernière atteint par exemple 12 en plasma d’hélium contre 62 en plasma d’hydrogène (gravure en HF 1 %). Nous présentons dans un premier temps les diagnostics réalisés en plasma d’hydrogène. Puis une étude paramétrique est menée sur une surface de SiN sans motif. La modification du SiN est caractérisée au moyen de différentes techniques d’analyse des matériaux. Enfin, les mécanismes fondamentaux de la modification du SiN par le plasma d’hydrogène seront détaillés dans la dernière partie de ce chapitre.