Impact de pulser le plasma sur la phase gazeuse

La composition du plasma dépend fortement du mélange des gaz, du matériau gravé et des parois du réacteur. La différence majeure entre un plasma de HBr/O2

avec et sans polarisation additionnelle du substrat est la gravure du silicium dans le premier cas. Dans cette situation, beaucoup de produits de gravure à base de silicium sont créés et sont détectés dans la phase gazeuse sous forme d’espèces neutres ou ionisées. Un grand nombre d’entre elles sont peu volatiles et peuvent être redéposées sur les parois du réacteur en formant une couche fine. Ceci peut changer les coefficients de collage et de recombinaison des espèces, ce qui conduit à une modification de l’équilibre entre les radicaux et les molécules, ainsi qu’à une modification du flux d’ions. Il faut donc garder ces changement en tête lorsqu’on compare des conditions avec et sans polarisation additionnelle du substrat.

Neutres

Dans le cas d’un plasma de HBr/O₂ sans polarisation du substrat, on observe prin-cipalement les espèces HBr, Br2, Br et O2 par spectrométrie de masse (Fig.A.1). Le dihydrogène (H₂) semble fortement présent mais le rapport signal sur bruit est trop faible pour obtenir des mesures valides. Ceci est également vrai pour les espèces OHx. En réduisant le rapport cyclique, les densités de HBr et d’O2

augmentent alors que la quantité de Br et de Br₂ reste plutôt constante pour des rapports cycliques supérieurs à 20 % et diminue très significativement pour des rapports cycliques plus faibles. La variation de la densité de HBr et O2 est prin-cipalement expliquée par une diminution de la température du plasma. La plus faible dissociation lorsque le plasma est pulsé, particulièrement à des rapports cy-cliques faibles, participe également à l’augmentation de la densité de HBr et O2. Lorsque le substrat est polarisé, plusieurs produits de gravure contenant du sili-cium apparaissent dans le spectre de masse, notamment SiBr, SiBr3 et SiBr4. La molécule SiBr suit une évolution similaire à celle de Br : pour un rapport cyclique supérieur à environ 35-50 %, la densité reste constante, alors qu’elle baisse forte-ment pour des rapports cycliques plus faibles. En général, plus le rapport cyclique est faible, moins on observe d’espèces contenant du silicium, ce qui est attribué à une réduction de la vitesse de gravure moyenne.

En outre, l’analyse des expériences de la gravure des motifs indique une quan-tité réduite de l’oxygène radicalaire à des rapports cycliques faibles.

A.1. La gravure du silicium en plasma de HBr/O2 pulsé 137 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 250 300 350 D e n s i t y [ 1 0 1 2 c m -3 ] Duty Cycle [%] HBr Br 2 Br O 2 Total Density @ 5 O 2 / 1 kHz (a) 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Relative Density @ 5 O 2 / 1 kHz HBr Br 2 Br O 2 R e l a t i v e D e n s i t y [ % ] Duty Cycle [%] (b)

Figure A.1.: Ensemble des densités de toutes les espèces neutres mesurés (a) à

une échelle absolue et (b) une échelle relative.

Ions

Le flux d’ions en plasma HBr/O₂ sans polarisation du substrat est principalement constitué de Br₂+ et de H₃O+, et dans une moindre mesure de BrH₀₋₂+ et de Br3⁺ (Fig.A.2). L’attachement des protons semble jouer un rôle important dans la formation de plusieurs des espèces observées.

0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14

Ion Flux - HBr/O 2 no Bias I o n F l u x [ 1 0 6 c t s / s ] Duty Cycle [%] H3O Br3 Br2H Br2 BrH2 BrH Br (a) 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Br3 Br2H Br2 BrH2 BrH Br H3O Ion Flux Composition - HBr/O

2 no Bias F l u x C o m p o s i t i o n [ % ] Duty Cycle [%] (b)

Figure A.2.: (a) Flux total d’ions d’un plasma HBr/O2 sans polarisation du sub-strat et (b) sa composition relative.

Lorsque le substrat est polarisé, le plasma contient beaucoup d’ions additionnels contenant au moins un atome de silicium. En revanche, Br₃+ n’est plus détecté. La contribution majoritaire au flux d’ions vient de SiBr+, Si+, SiBr3⁺ et BrH₀₋₂+

(Fig.A.3). Contrairement à un plasma sans polarisation du substrat, le pourcent-age de Br₂+ est faible. Ceci peut être expliqué par des conditions de parois du réacteur différentes qui influencent la composition globale du plasma. Avec un rapport cyclique plus faible, la contribution relative de BrH₀₋₂+ au flux d’ions augmente. En même temps Si+ n’est presque plus détecté à des rapports cycliques très faibles. Ceci semble indiquer que le silicium est principalement incorporé dans des molécules plus larges. De plus, la diminution de la vitesse de gravure moyenne du silicium à faible rapport cyclique réduit également sa présence globale dans le plasma. 0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 Br2 BrH2 BrH Br Si2Br5O SiBr3 SiBr2 SiBrH2 SiBrH SiBr SiOH Si I o n F l u x [ 1 0 6 c t s / s ] Duty Cycle [%] Ion Flux - HBr/O

2 with Bias (a) 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100

Ion Flux Composition - HBr/O 2 with Bias F l u x C o m p o s i t i o n [ % ] Duty Cycle [%] Br2 BrH2 BrH Br Si2Br5O SiBr3 SiBr2 SiBrH2 SiBrH SiBr SiOH Si (b)

Figure A.3.: (a) Flux total d’ions d’un plasma HBr/O2 AVEC polarisation du substrat et (b) sa composition relative.

La fonction de distribution de l’énergie d’ions (IEDF) dans le plasma de HBr/O2, mesurée par un analyseur électrostatique multi-grille (RFA) situé sur le substrat de silicium et montré en Fig.A.4, présente un double caractère bi-modal. Ceci indique qu’un flux significatif de H+ arrive sur le substrat, ce qui n’est pas détecté proche des paroirs du réacteur en spectrométrie de masse. Par conséquent, une des espèces ionisées majoritaires dans le plasma HBr/O₂ qui contribue à la gravure du silicium est le proton H+. En réduisant le rapport cyclique, moins de HBr est dissocié et la contribution de H+ pourrait donc être réduite. En raison de sa masse très faible, l’ion hydrogène peut pénétrer profondément dans la surface gravée et endommager profondément le matériau. Une réduction du rapport cyclique pourrait alors aider à diminuer l’endommage de la surface en réduisant le flux de protons. Dans un

A.1. La gravure du silicium en plasma de HBr/O2 pulsé 139

plasma de HBr pur, H+ n’est pas observé. Cette différence est probablement liée à la composition différente du plasma et/ou à la différence de conditions des parois du réacteur. 0 100 200 300 400 0.00 0.05 0.10 0.15 M e a s u r e d C u r r e n t [ µ A ]

Ion Energy [eV]

0W 20W 40W 60W 80W 100W 120W IEDF for various Bias Power - HBr/O

2 (a) 0 100 200 300 400 0.00 0.05 0.10 0.15

IEDF for various Bias Power - HBr

0W 25W 50W 80W M e a s u r e d C u r r e n t [ µ A ]

Ion Energy [eV]

(b)

Figure A.4.: La fonction de distribution de l’énergie d’ions (IEDF) (a) d’un plasma

de HBr/O₂ et (b) d’un plasma de HBr en continu AVEC polarisation.

Dans le mode pulsé les IEDFs montrent un pic de haute et de basse énergie, qui correspondent respectivement aux ions des temps ON et OFF de la période de pulsation du plasma (Fig.A.5). Lorsque le rapport cyclique est réduit, le flux ionique total diminue proportionnellement au rapport cyclique et le pic de haute énergie se déplace vers les énergies plus élevées. La contribution relative des ions de la période ON au flux total est fortement réduite lorsque le rapport cyclique diminue, ce qui conduit à une énergie moyenne des ions plus faible.

0 100 200 300 0 200 400 I E D F [