Influence du ratio de gaz sur la cinétique de gravure

La Figure 4.22 présente l’évolution de l’épaisseur de SiO2 gravée en fonction de temps

d’exposition au plasma pour des ratios de gaz de 0,40, 0,50 et 0,60. Les barres d’erreurs correspondent à l’écart type de la distribution de l’épaisseur gravée à 1σ (niveau de confiance égal à 68,2%). Elles sont un bon indicateur de l’uniformité de la gravure sur le substrat. Les barres d’erreur du ratio de gaz à 0,50 augmentent de façon surprenante à partir d’un temps d’exposition de 120 secondes. Ce résultat, laissant tout d’abord penser à une forte dégradation de l’uniformité de gravure, a été étudié en détail par analyse ellipsométrique et par caractérisation de la surface. Les résultats de ces analyses permettant d’expliquer les raisons

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Figure 4.22: Influence du ratio de gaz NF3/(NF3+NH3) sur l'évolution de l'épaisseur

gravée en fonction du temps d'exposition au plasma pour une puissance plasma de 50 W.

Concernant l’évolution de l’épaisseur gravée en fonction du temps, on observe

systématiquement une cinétique de gravure présentant deux régimes, quelles que soient les conditions plasma. De plus, la cinétique de gravure est très fortement influencée par le ratio de gaz réactif. Sur cette gamme de ratio de gaz, l’augmentation du ratio de gaz

(l’augmentation du débit de NF3 au dépend du débit de NH3) entraine une diminution de

l’épaisseur gravée en fonction du temps, et donc de la vitesse de gravure.

Afin d’interpréter les résultats obtenus lors de cette étude, différents paramètres ont été

extraits des courbes de gravure :

- R1, la vitesse de gravure du premier régime ;

- Ecrit, l’épaisseur gravée correspondant à la transition de régime (voir Figure 4.16).

La Figure 4.23 montre l’influence du ratio de gaz sur la vitesse de gravure du premier régime R1 pour les ratios de gaz précédemment cités, auxquels ont été ajoutés les ratios suivant : 0,25, 0,33 et 0,66 afin d’avoir un plus grand nombre de points.

Figure 4.23 : Influence du ratio de gaz NF3/(NF3+NH3) sur la vitesse de gravure du

premier régime R1 pour une puissance plasma de 50 W.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Vitess e de grav ure R 1 (nm /s) Ratio de gaz NF₃/(NF₃+NH₃) 0 50 100 150 200 250 0 25 50 75 100 125 150 175 NF₃/(NF₃+NH₃)=0.40 NF₃/(NF₃+NH₃)=0.50 NF₃/(NF₃+NH₃)=0.66 Epaiss eur grav ée (nm ) Temps d'exposition (s)

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Comme constaté dans le paragraphe précédent, la vitesse de gravure du premier régime est

fortement influencée par le ratio de gaz. L’évolution de la vitesse décrit une parabole avec une

augmentation importante de la vitesse entre les ratios de gaz 0,25 et 0,4, ratio pour lequel une vitesse maximale de 1,6 nm.s-1 est atteinte. Ensuite, la vitesse décroit progressivement,

jusqu’à atteindre une valeur inférieure à 0,5 nm.s-1

pour un ratio de gaz de 0,66.

Comme énoncé dans le paragraphe IV.2.4, on peut considérer que dans le premier régime, la vitesse de gravure n’est pas limitée par les phénomènes de diffusion à travers la couche de sels fluorés mais par la vitesse de formation des sels au niveau du front de gravure. Ainsi, la concentration des espèces réactives arrivant au front de gravure ainsi que leur réactivité contrôlent la vitesse de gravure. D’après le schéma réactionnel discuté précédemment, la cinétique de formation des sels fluorés est liée à la concentration d’HF générée dans la phase

gazeuse (l’HF participant à la réaction et à la formation d’autres espèces réactives). En

augmentant le ratio de gaz, la concentration en espèces fluorées devient plus élevée,

conduisant à une formation d’HF plus importante. Cela entraine une augmentation de la

cinétique de croissance des sels fluorés jusqu’à atteindre un ratio de gaz « optimal » où la

concentration globale d’espèces réactives est maximale (pour un ratio de 0,4 dans cette

condition), tout comme la vitesse de gravure. Pour des ratios de gaz NF3/(NF3+NH3) plus important, la phase gazeuse devient plus riche en espèces fluorées qu’en espèces hydrogénées. Cela a pour conséquence de réduire la quantité d’HF produite, le NH3 devenant le réactif limitant de la réaction, et par conséquent de diminuer la vitesse de gravure. Cependant, il faut pondérer cette hypothèse par le schéma réactionnel, proposé dans le paragraphe IV.1.1.7, qui implique que différentes espèces réactives participent à la formation des sels fluorés. De ce fait, il est envisageable que le ratio de gaz influence également la nature et les concentrations relatives de chacune des espèces réactives (c’est-à-dire le ratio HF/NH4F/NH4HF2).

La Figure 4.24 présente l’influence du ratio de gaz sur l’épaisseur gravée Ecrit à partir de laquelle la gravure bascule du premier régime, rapide et linéaire au deuxième régime, lent et parabolique.

Figure 4.24 : Influence du ratio de gaz NF3/(NF3+NH3) sur l’épaisseur critique

correspondant à la transition entre les deux régimes pour une puissance plasma de 50 W. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 20 40 60 80 100 120 E crit (nm ) Ratio de gaz NF₃/(NF₃+NH₃)

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L’épaisseur critique Ecrit augmente entre les ratios de 0,25 et 0,33, puis décroit très rapidement

jusqu’à atteindre sa valeur minimale pour un ratio de gaz de 0,50 où elle devient stable. On

observe donc un effet très clair des ratios de gaz sur Ecrit. Des transitions de régime à de faibles épaisseurs gravées (de l’ordre de 15 nm) s’effectuent pour les forts ratios de gaz (supérieurs ou égaux à 0,50), soit des chimies très fluorées, tandis que des transitions à des épaisseurs gravées élevées (supérieures à 60 nm) sont observées pour des ratios de gaz plus faibles. D’après les mécanismes de gravure proposés dans le paragraphe IV.2.4, la transition de régime d’explique par une épaisseur de sels fluorés critique à partir de laquelle la diffusion des espèces réactives limite les réactions au niveau du front de gravure. A partir de ce mécanisme, le résultat observé sur la Figure 4.24 peut s’expliquer par deux hypothèses :

- 1ère hypothèse : le volume de sels fluorés est influencé par les ratios de gaz, ce qui

changerait l’épaisseur critique de gravure en fonction du ratio ;

- 2ème hypothèse : la diffusion des espèces réactives à travers cette couche est influencée par les ratios de gaz.

Afin de déterminer laquelle de ces deux hypothèses est valide, l’épaisseur de la couche de sels fluorés est caractérisée pour plusieurs conditions plasma. Les résultats sont présentés dans le paragraphe suivant.