Impact de l’énergie ionique

5.2.2.1 Étude dans l’état quasi-stationnaire

Afin d’étudier l’impact de l’énergie des ions sur les cinétiques de gravure du Si₃N₄ implantés en plasma délocalisé, trois conditions de plasma ont été choisies pour le H₂ et le He. Trois puissances pour les plasmas de H₂ et de He sont étudiées : 10, 50 et 100 W. Le temps de plasma est fixé à 60 s. Le tableau 5.7 présente les doses d’hydrogène et d’hélium implantées ainsi que les épaisseurs des couches modifiées mesurée par XRR (en utilisant le modèle bi-couche) pour les puissances RF de 10, 50 et 100 W : Puissance du plasma (W) Dose implan-tée (.1016 ions.cm⁻²) Profondeur modifiée (nm) ^{Vdc (V)} H₂ 10 13 2,3 40 50 20 5,8 130 100 27 7,8 200 He 10 23 1,9 20 50 22 4 120 100 29 4,2 190

Table 5.7 – Valeurs de la puissance des plasmas, des doses implantées de H₂ et de He, des profondeurs d’implantation mesurées par XRR et des V_dc affichés.

Les figures 5.12 (a) et (b) représentent les cinétiques de gravure des films de Si₃N₄ LPCVD en fonction des puissances de plasma d’hydrogène et d’hélium étudiées.

Pour les plasmas de He comme de H₂, plus on augmente l’énergie des ions et plus le temps d’incubation est réduit. En effet, la gravure démarre après 30 s pour le plasma de H₂ généré à 10 W,

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Chapitre 5. Mécanismes de gravure d’un film de Si₃N₄ implanté en post-décharge d’un plasma délocalisé de NH₃/NF₃/He

Figure 5.12 – Cinétiques de gravure d’un film de Si₃N₄ implanté par plasma (a) de H₂ et (b) de He dans la post-décharge d’un plasma délocalisé de NH₃/NF₃/He (1000 ; 100 °C ; 2, 5 Torr ; R = 0, 1) en fonction de l’énergie des ions (60 s ; 50 mTorr). Sur le graphique sont reportées les épaisseurs des couches modifiées (qui ne correspondent pas au changement de régime linéaire/parabolique).

15 s pour celui à 50 W et 10 s pour celui à 100 W. Pour les plasmas de He, la gravure ne démarre qu’après 35 s pour une implantation de 10 W contre 25 et 7 s pour les implantations de 50 et 100 W respectivement.

Les concentrations atomiques en fluor et en oxygène - qui influent sur la durée du temps d’incu-bation - ont été mesurées par ToF-SIMS pour des puissances de 10 et 100 W. Elles sont représentées dans les figures 5.13(a) et (b). On observe que la profondeur de pénétration ainsi que la quantité de contaminants O et F implantée dépend de la puissance du plasma et augmente avec celle-ci. En effet, les plasmas de H₂ et de He effectués à une puissance de 10 W provoque une implantation d’oxygène et de fluor sur 1, 5 nm de profondeur contre environ 2, 5 nm pour une puissance de 100 W. On notera que la concentration maximale en oxygène comprend l’oxyde natif, l’oxygène implanté et l’oxygène dû à la remise à l’air des échantillons. Il existe donc beaucoup d’incertitudes quant aux quantités d’oxygène mesurées par ToF-SIMS et réellement attribuées à l’implantation. Cependant, il semble que plus la puissance plasma est importante et plus la concentration d’oxygène et de fluor implantée est importante. Si à 10 W, il ne semble pas y avoir de différences sur les concentrations de contaminants dans le Si₃N₄ entre les implantations de He et de H₂, les datas à 100 W semblent indiquer que la concentration en O et F est bien plus importante dans le cas d’un implant He. Comme déjà mentionné dans le chapitre 3, cela n’est pas étonnant puisque, le potentiel d’ionisation de l’hélium étant très élevé, les atomes de F et O présents sont facilement ionisés. De plus, dans un plasma de H₂, le fluor et l’oxygène peuvent former des produits volatils avec l’hydrogène tel que le H₂O et le HF, limitant ainsi la contamination dans le plasma.

Ainsi, pour les plasmas de He comme de H₂, l’augmentation du nombre de liaisons O-H et Si-F - via une contamination plus importante - en extrême surface du Si₃N₄ lorsque l’on augmente la puis-sance du plasma peut expliquer une réduction du temps d’incubation. Ce phénomène est certainement

5.2. Impact des paramètres d’implantation sur les cinétiques de gravure 183

Figure 5.13 – Profils ToF-SIMS de la concentration atomique en profondeur (a) de l’oxygène et (b)

du fluor dans la couche de Si₃N₄ avant et après implantation de H₂ et de He à 10 et 100 W.

accompagné d’une formation de liaisons pendantes du Si plus importante à la surface du matériau puisque les ions incidents arrivent avec une énergie plus importante.

On retrouve que les temps d’incubation après implantation H₂ sont plus courts que pour une implantation He pour une condition plasma donnée. Comme déjà mentionné, cela est attribué aux terminaisons Si-NH₂ainsi qu’à la création de charges dans le Si₃N₄. Chambettaz et al. ont effectivement montré que la densité de charges après implantation H₂ augmentait avec la puissance RF appliquée et la dose ionique implantée.

Une fois que la réaction démarre, les cinétiques de gravure des couches modifiées peuvent toutes être modélisées par le régime linéaire du modèle de Deal-Grove (cf.Fig.5.12 (a) et (b)). Une fois la couche modifiée gravée et l’épaisseur de transition entre les deux régimes de Deal-Grove, on retrouve le régime parabolique du Si₃N₄ non modifié. Le tableau 5.8 résume les valeurs des vitesses de gravure des couches modifiées de H₂ et de He, les sélectivités obtenues par rapport à un film non modifié, les épaisseurs de transition entre les deux régimes de Deal-Grove et les épaisseurs des couches modifiées mesurées par XRR.

Pour les plasmas de H₂, la vitesse de gravure de la couche modifiée augmente en fonction de l’énergie des ions avant de saturer à une vitesse de 0, 3 nm/s pour une puissance de 50 W.

Des analyses ToF-SIMS présentées en figure 5.14 et réalisées pour les 3 conditions plasma 10 W, 50 W et 100 W ont montré que la quantité d’hydrogène incorporée dans le Si₃N₄ augmente avec la puissance RF injectée. Ainsi la saturation des cinétiques dans le régime linéaire n’est pas lié à une saturation en hydrogène de la couche mais serait plus liée aux conditions plasma qui n’apporte pas assez d’espèces réactives par rapport aux sites d’attaque générés de manière plus importante à plus forte puissance RF.

Pour le plasma de He, la vitesse de gravure de la couche modifiée est identique à celle d’un film non modifié pour une puissance de 10 W (0, 05 nm/s). Cette dernière augmente ensuite jusqu’à une valeur de 0, 09 nm/s à 50 W puis jusqu’à 0, 14 nm/s pour l’implantation à 100 W.

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Chapitre 5. Mécanismes de gravure d’un film de Si₃N₄ implanté en post-décharge d’un plasma délocalisé de NH₃/NF₃/He

Si 3 N 4 non implanté modèle : demi-gaussiennes jointes ( ) t x = R pm_x + s pb_x

Figure 5.14 – Profils ToF-SIMS de la concentration atomique en profondeur de l’hydrogène dans la

couche de Si₃N₄ avant et après implantation de H₂ à 10, 50 et 100 W. Les profils obtenus ont été modélisé en utilisant le modèle joignant deux demi-gaussiennes (cf. Tab.5.9) et corroborent les mesures XRR des épaisseurs de couche modifiée.

5.3. Proposition d’une application pour la gravure d’espaceurs en nitrure de silicium185