Les procédés Smart Etch utilisent souvent du HF liquide pour éliminer sélectivement la couche modifiée (en gravure SiN). Dans notre cas, nous avons observé que le caractère non homogène de la couche modifiée impose des conditions de gravure assez agressives pour éliminer cette dernière, comme évoqué précédemment. Par exemple la Fig. 4-22 montre les images STEM de deux échantillons de SiN implantés puis trempés soit 100 s dans du HF dilué a 0.1 % soit 10 secondes dans du HF dilué à 1%. Il apparait que le bain à 1% a totalement éliminé la couche modifiée en quelques secondes alors que celui à 0.1 % n’a réussi à graver cette couche que de manière partielle et non homogène : sur la Fig. 4-22b il apparait que la couche modifiée est gravée sur la partie gauche de l’échantillon mais pas à droite où la gravure HF est restée bloquée, apparemment sur la très mince couche surfacique SiOF. Lorsqu’il a été nécessaire de graver la couche modifiée (par exemple pour mesurer l’épaisseur de SiN consommée par l’implantation /retrait) nous avons donc utilisé du HF dilué a 1% pour nous assurer de la totale élimination de la couche.
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a)
b)
Figure 4-22 : Image STEM d’un traitement de HF à a) 1% pendant 10 sec et b) 0,1% pendant 100 sec, de deux échantillons modifiés avec un plasma de 450Wsources60Wbias à 20mTorr
Il est intéressant de noter que nous avons utilisé du HF car d’après l’XPS nous avons transformé le Si3N4 en SiON ou SiO2. De plus, le HF 1% a été utilisé avec succès dans les procédés Smart Etch classiques (implantations d’Hydrogène ou d’Helium) et représente un point de référence. Par conséquent, le fait de pouvoir éliminer proprement la couche en HF est une validation du procédé, même si notre objectif est de l’éliminer in situ dans le plasma downstream.
Selon la bibliographie, l’oxyde thermique doit se graver à 2,3 nm/min en utilisant du HF dilué à 1% [Williams2003]. Dans notre cas, il faudrait donc en théorie environ 120 secondes pour
183 éliminer la couche de 4.4 nm. Cependant, la Fig. 4-23montre comment varie l’épaisseur de l’ensemble SiOx/Si3N4 en fonction du temps de gravure dans le HF liquide à 1%. Pour faire cette expérience nous avons clivé en 10 échantillons la plaque de 300 mm de diamètre qui a été implantée à 450Ws/60Wb et 20mTorr. Chaque échantillon a été gravé au HF 1% à des temps différés et a été mesuré à l’ellipsomètre Woollam juste après. Nous avons procédé de la même manière pour faire la gravure humide d’une plaque de SiN non gravée (référence). Les graphiques ci-dessous montrent les résultats donnés par le modèle bicouche pour la plaque implantée (figure 4.23a) et pour la plaque de référence (figure 4.23b).
a) 0 50 100 150 200 250 300 49 50 51 52 53 54 55 56 Epaiss eur du matéri au / nm Temps du traitement de HF / s
linear fit du SiN SiN implanté 1% HF b) 0 50 100 150 200 250 300 52,0 52,5 53,0 53,5 54,0 54,5 Epaiss eur SiN / nm Temps du traitement HF / s Réference SiN linear fit c) 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 70 450Ws 60Wb Pourcent age atomi que / % Profondeur / nm F1s N1s O1s Si2p SiN Si2p SiOxNy Si2p SiO2 Si2p SiOF
Figure 4-23: Epaisseur de SiN et SiO2 du matériau modifié (figure a) et pour le matériau de référence (figure b) en fonction du
temps de traitement HF 1%. La figure c représente la reconstruction des profils chimiques obtenue par pARXPS du plasma 450Wsources60Wbias.
La figure. 4.23a) montre que la vitesse de gravure de l’échantillon implanté dans le HF est non linéaire. Seulement 10 secondes sont nécessaires pour éliminer les premiers 3.5 nanomètres soit une gravure à plus de 20 nm/min, puis la vitesse de gravure chute progressivement jusqu’à
184 60 s ou elle atteint une valeur constante (diminution linéaire de l’épaisseur) de 0.4 nm/min. Comme illustré sur la Fig. 4-23b) cette valeur correspond exactement à celle du Si3N4 de référence. Nous pouvons en conclure que la couche de SiOF/SiO2 observée en XPS est un oxyde de très mauvaise qualité, probablement poreux (ce qui expliquerait aussi le gonflement de la surface), qui se grave très vite au HF 1%. Il s’agit d’un avantage car nous avons une très forte sélectivité SiOxFy/ Si3N4, supérieure à 50 ! En revanche, l’élimination de la couche interfaciale SiON est plus lente, et il apparait clairement sur la Fig. 4-23 c) que la vitesse de gravure diminue quand la densité de O dans la couche SiON chute. Il faut ainsi 60 s pour finir entièrement la gravure de la couche de 4.5 nm alors que 10 s avaient suffi à éliminer les premier 3.5 nm fortement oxydés.
D’un point de vue procédé, cela suggère deux stratégies possibles : graver uniquement le SiO2 à chaque cycle implantation/ gravure ou graver toute la couche modifiée à chaque fois. Il est probable que la meilleure approche dépende de l’application. Si la couche de SiN à graver est très mince et qu’une seule implantation suffit à l’éliminer alors il faudra graver longtemps au HF. Mais si plusieurs cycles implantation/gravure sont nécessaires, un bain de HF court suffira car de toute manière le substrat sera remis à l’air après le HF (avant la seconde implantation) et donc oxydé sur 0.8 nm : dans ce cas il est inutile d’éliminer les dernier 0.5 nm de la couche modifiée.
Du point de vue du procédé Smart Etch utilisant des plasmas de O2, il est donc très intéressant d’observer que l’implantation de O+ et O
2+ dans le Si3N4 se traduit par la formation d’une couche modifiée stoechiométriquement très proche de SiO2 et qui se grave donc bien dans le HF. De plus, cela suggère qu’il va être relativement simple d’éliminer cette couche de manière in situ dans les plasmas downstream de NF3/NH3 car nous savons que ces derniers gravent SiO2 très sélectivement / SiN. Il devrait donc être possible d’oxyder le nitrure de manière directionnelle sur 1 à 5 nm nanomètres de profondeur puis de graver sélectivement cette couche modifiée pour graver le SiN de manière anisotrope.