Gravure du silicium dans les plasmas à base de fluor

La gravure du Si dans les plasmas à base de fluor (principalement CF4 et SF6) est le système de gravure qui, de loin, a été le plus étudié. Parmi les résultats confirmés, on peut citer l’existence d’une transition gravure isotrope - gravure anisotrope [4-5,7,41-42]et une adsorption du fluor de type multi-couches [43-44] et, comme conséquences, une vitesse de gravure du silicium proportionnelle à la concentration d’atomes de fluor en plasma de CF4 [45] ou en plasma de SF6 [4-5,7,41] indépendante du flux [5] et de l’énergie [42] de bombardement ionique (Figure 3.1), et de la température [46]. A titre d’exemple, la Fig. 3.1 montre l’évolution de la vitesse de gravure verticale VV et l’anisotropie de gravure A du Si en fonction de la pression du plasma de SF6 [5]. Il est évident qu’aucune corrélation n’existe entre la vitesse de gravure verticale VV et la densité de courant ionique collecté j. Par ailleurs, on peut observer, d’une part, l’augmentation régulière de la vitesse de gravure verticale Vv lorsque la pression SF6 augmente, et, d’autre part, la transition d’une anisotropie de gravure parfaite (A = 1) vers une gravure isotrope au-dessus de 4  10^-5 Torr de SF6.

Figure 3.1. Évolution de la vitesse de gravure verticale, de l’anisotropie A et de la densité de courant

ionique j en fonction de la pression du plasma de SF6 [5].

La présence d’un point aberrant, reproductible, sur la courbe d’anisotropie de la Fig. 3.1 a conduit les auteurs à reprendre cette étude expérimentale [7] dont les résultats sont présentés sur la Fig. 3.2. Cette fois, les mesures ont été effectuées en prenant de très nombreux points intermédiaires et en mesurant par actinométrie la concentration relative de fluor atomique dans le plasma de SF6. Les résultats confirment la variation proportionnelle de la vitesse de gravure avec la concentration relative de fluor atomique dans le plasma, l’existence d’une transition gravure anisotrope-gravure isotrope, mais surtout mettent en évidence pour la première fois une variation en marche d’escalier de l’anisotropie dans le domaine de gravure isotrope. Ce résultat spectaculaire démontre : i) que le système de gravure fluor/silicium est du type adsorption multi-couches (variation de la vitesse de gravure proportionnelle à la concentration de fluor atomique dans le plasma) ; ii) que l’adsorption s’effectue bien de manière séquentielle sur la première couche (transition gravure anisotrope-gravure isotrope) ; iii) que l’adsorption se poursuit de manière séquentielle sur les sous-couches (anisotropie en marche d’escalier) ; iv) que les premières sous-couches conservent un ordre structural manifeste ; v) et enfin, que l’adsorption s’effectue couche après couche, et non dans le désordre. Toutes ces caractéristiques valident complètement, et au-delà, les hypothèses et caractéristiques de gravure du modèle de Petit et Pelletier.

Figure 3.2. Évolution de la vitesse de gravure verticale et de l’anisotropie A en fonction de la

concentration relative de fluor dans le plasma de SF6 [7].

0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5  ^S iX 2 -S iX 2  X

Figure 3.3. Évolution du recouvrement  SiX2-SiX2 en paires SiX2-SiX2 en fonction du taux de recouvrement  en fluor, dans un modèle sans interaction entre couches [7].

Suite à ces résultats expérimentaux, les auteurs ont proposé un modèle d’évolution de l’anisotropie basé sur une variation en marche d’escalier, sous-couche après sous-couche, du recouvrement SiX2-SiX2

en paires SiX2-SiX2 en fonction du taux de recouvrement  en fluor, dans un modèle sans interaction entre couches (Fig. 3.3). L’évolution de l’anisotropie calculée à partir de ce modèle est représentée sur la Fig. 3.4. L’anisotropie présente effectivement une variation en marche d’escalier, mais la forme générale de l’anisotropie calculée est toutefois fort différente de celle obtenue expérimentalement [7]. A l’évidence, d’autres schémas réactionnels et d’autres scénarios doivent être envisagés.

Figure 3.4. Évolution de l’anisotropie calculée à partir des hypothèses de la Fig. 3.3[7].

L’évolution de l’anisotropie en marche d’escalier a aussi été observée par Perry et Boswell en 1989 [42] lors de la gravure du silicium en plasma de SF6, mais cette fois en suivant l’évolution de la gravure en fonction de l’énergie de bombardement des ions, les autres paramètres plasma étant maintenus constants (Fig. 3.5). On met ainsi en évidence une vitesse de gravure (verticale) constante en fonction de l’énergie (excepté une très légère augmentation de vitesse vers 70 eV probablement due à une excitation additionnelle de plasma à partir de la polarisation RF du porte-substrat) et une évolution de l’anisotropie en marche d’escalier. Ces résultats confirment les résultats expérimentaux précédents et valident à leur tour la nature multi-couches de l’adsorption du fluor sur le silicium (vitesse de gravure indépendante de l’énergie de bombardement des ions).

0,0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 A n is o tr o p y 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E tc h r a te ( µ m m in -1 ) - Substrate Bias (V)

Figure 3.5. Évolution de l’anisotropie et de la vitesse de gravure du Si en fonction

de l’énergie de bombardement ionique (à partir de la référence [42]). 3.1.2. Gravure du silicium dans les plasmas de chlore, de brome ou d’iode

Le nombre d’études expérimentales de la gravure du silicium dans les plasmas de chlore, de brome et d’iode est bien inférieur au nombre des études menées dans les plasmas de fluor. De manière générale, les vitesses de gravure du Si dans les plasmas de chlore et de brome sont très différentes de celles obtenues dans les plasmas de fluor. La raison principale semble provenir de la nature mono-couche de l’adsorption des atomes de chlore, du brome et de l’iode sur le silicium. En effet, les calculs ont montré que les atomes de Cl à la surface du silicium, pour des raisons de taille, doivent franchir une barrière d’énergie très élevée pour pouvoir pénétrer dans le réseau cristallin de Si [43], d’où une adsorption de type mono-couche du chlore sur le silicium. Pour la même raison, on peut supposer que l’adsorption des atomes de brome et d’iode sur le silicium est aussi de type mono-couche. Dans ce cas d’une adsorption de type mono-couche, la cinétique de gravure plasma dépend alors de l’ensemble des

Dans le cas du chlore, la Fig. 3.6 montre l’évolution de la gravure du silicium Si(100) dans un plasma de chlore en fonction de l’énergie de bombardement ionique [47]. On constate que la vitesse de gravure varie fortement avec ce paramètre, ce qui indique sans ambigüité un comportement de type mono-couche. En effet, la comparaison des Figs. 3.5 et 3.6 pointe la grande différence entre un comportement de gravure de type multi-couches où la vitesse de gravure reste constante avec l’énergie des ions et un comportement de type mono-couche où la vitesse de gravure varie fortement.

Figure 3.6. Évolution de la vitesse de gravure du Si(100) en plasma de Cl2 en fonction de la tension de polarisation[47].

Un second résultat relatif au chlore est celui obtenu dans une étude paramétrique de la gravure du silicium dans les mélanges d’halogènes X2 / SF6 de 0 et 100% [8] qui indique une gravure isotrope du silicium dans un plasma de chlore pur (0% SF6). D’après le modèle de Petit et Pelletier, ce résultat impose un recouvrement θ en Cl sur la surface Si(100) supérieur au recouvrement critique θc (θ > θc

avec θc = 3/4). Ce résultat a été confirmé par Szabo et al. [36] qui ont montré que le recouvrement en adatomes de chlore à partir de chlore atomique sur la surface Si(100) ralentit au-dessus de 1,5 mono-couche SiCl, soit θ = 3/4 (1 mono-couche SiCl = 6.98  10¹⁴ cm^-2 correspond à un recouvrement θ = 1/2). Ce résultat a par ailleurs été confirmé par la simulation de Humbird et Graves [48] qui prédit un taux de recouvrement pendant gravure entre 1,5 et 2 mono-couches SiCl, c’est-à-dire un recouvrement

θ compris entre 3/4 et 1. Tous ces résultats confirment la nature mono-couche du système Cl / Si et sont en tous points cohérents avec les déductions du modèle de gravure plasma.

Figure 3.7. Évolution de la vitesse de gravure du Si(100) en plasma de Br2 en fonction de la tension de polarisation [49].

Dans le cas du brome, la Fig. 3.7 montre l’évolution de la gravure du silicium Si(100) dans un plasma de brome en fonction de l’énergie de bombardement ionique [49]. Comme pour le chlore, la vitesse de gravure varie fortement avec ce paramètre, d’où un comportement de type mono-couche du système Br/Si. Cette étude indique aussi que la gravure du silicium en plasma de brome est toujours anisotrope, résultat confirmé dans l’étude sur les plasmas de mélanges d’halogènes [8]. Ce résultat est important car l’absence de gravure spontanée semble indiquer que le recouvrement θ en brome reste toujours inférieur au recouvrement critique θc (θ < θc) quelles que soient les conditions opératoires.

Dans le cas de l’iode, l’étude de la gravure du silicium dans les plasmas de mélanges I2 / SF6 a montré que le silicium n’est pas gravé dans les plasmas d’iode pur [8].

En résumé, l’étude de la gravure du Si(100) dans les plasmas d’halogènes a montré les différences de cinétiques de gravure et d’anisotropies. En particulier, l’adsorption de Cl, Br et I sur le Si est de type mono-couche, tandis que l’adsorption de fluor est de type multi-couches. La gravure du silicium est isotrope dans les plasmas de fluor et de chlore, anisotrope dans les plasmas de brome, et nulle dans les plasmas d’iode.