Le multi-patterning, et la gravure par couches atomiques (ALE), ne répondent pas à toutes les contraintes présentées par les nouvelles inventions technologiques telles que le FinFET. En effet, les zones source et drain des transistors « bulk » sont endommagées par le bombardement ionique durant la gravure des espaceurs en nitrure de silicium (SiN). Alors que l’aileron des transistors FinFET est également endommagé à cause de son facteur de forme important, et la surgravure associée.
5.1. Principes et applications
Une nouvelle technologie de gravure a été présentée en 2014 par [Posseme et al. 2014] durant laquelle le matériau est modifié, à l’aide d’une implantation d’éléments légers assistée par plasma. La couche modifiée est retirée par voie chimique présentée figure 14. L’avantage de l’utilisation d’éléments légers tels que l’hydrogène ou l’hélium est de pouvoir modifier la structure du matériau, sans induire une pulvérisation dommageable pour le dispositif à graver. Le retrait via une attaque chimique peut être fait de deux façons différentes : à l’aide d’une solution chimique (par voie humide « wet »), ou à l’aide d’un plasma (par voie sèche « dry »).
Figure 14 : Principe de la gravure séquentielle à l’échelle nanométrique
étudiée
Dans le cadre de retrait par voie humide, la chimie de retrait est choisie de façon à avoir une sélectivité importante entre le matériau pristine et la couche modifiée par l’implantation plasma.
Appliquée au SiN, l’attaque chimique est réalisée à l’aide du bain d’acide fluorhydrique (HF). La gravure d’espaceurs de transistors FDSOI (« Full Depleted Silicon Oxyde Insulator ») a été réalisée en utilisant un plasma d’hydrogène et d’hélium suivi d’un bain dans du HF 1% par [Posseme et al. 2014]. Cette méthode illustrée figure15 présente de nombreux avantages tels que :
- Une consommation du canal réduite par rapport aux procédés plasma couramment employé - Une absence des défauts induits par le traitement plasma évitant la formation de « pied » au bas des
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- Une forte sélectivité entre le matériau pristine et la couche modifiée.
- Un contrôle précis de l’épaisseur modifiée à travers l’énergie des ions dans le plasma
Figure 16 : Coupe TEM de transistors FDSOI : après gravure des espaceurs
SiN modifiés par un plasma H
2suivie d’un bain de HF 1% (a), après une
épitaxie de 10 nm de SiGe (b), et après une épitaxie précédée par un plasma
He et un retrait HF 1% (c) [Posseme et al. 2014]
De nombreux problèmes liés aux structures à fort rapport d’aspect, et notamment à la tension de surfaces des liquides, ont proscrit l’utilisation de gravure par voie humide dans le cadre industriel. Les gravures par voie sèche (« dry ») correspondant à l’utilisation d’un plasma à haute pression de NF3/NH3 (dans le cas de la gravure des espaceurs SiN) ont été étudiées comme alternative à l’HF par [Posseme et al. 2016]. Cette nouvelle méthode de retrait est effectuée à une pression de l’ordre du torr, où les radicaux produits par le plasma réagissent avec le SiN formant des sels, qui sont ensuite sublimés en élevant la température. Les premiers tests réalisés avec cette nouvelle phase de retrait ont montré une bonne croissance épitaxiale suite à ce procédé, illustré figure17.
Ce procédé a été mis au point dans le cadre de la gravure du SiN. D’autres matériaux peuvent être ainsi gravés, sous réserve d’explorer leurs conditions opératoires. Les équipementiers de l’industrie de la
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microélectronique développent de nouvelles technologies visant à graver des matériaux tels que : le silicium, les matériaux high-κ, les matériaux III-V… Dans le cadre de procédés tels que le « multi-patterning » cette méthode permet de contourner le problème de dépendance entre vitesse de gravure et rapport d’aspect. L’épaisseur de matériau enlevé par cycle étant pilotée par l’implantation ionique.
Figure 17 : Coupe TEM d’un transistor après une modification de la surface
par plasma d’H
2et un retrait par voie sèche avec NF
3/NH
3suivi d’une
épitaxie SiGe [Posseme et al. 2014]
5.2. Objectifs et démarche de l’étude
Le sujet de cette thèse porte sur la compréhension des mécanismes physico-chimiques mis en œuvre durant la gravure séquentielle contrôlée à l’échelle nanométrique. Ces travaux se positionnent à la suite des thèses menées par Jérôme Dubois au LTM-CNRS portant également sur des implantations d’hydrogène. Une thèse en cours menée par Vincent Raynaud au LTM-CNRS porte également sur ce procédé de gravure, se focalisant plus particulièrement sur l’étude du plasma de retrait « downstream ». Deux autres thèses menées par Paulin Brichon et Vahagn Martirosyan visant à l’amélioration de la compréhension des interactions entre le plasma et le substrat ont été effectuées via des simulations de dynamique moléculaire au LTM-CNRS.
Les différents dispositifs expérimentaux mis en œuvre durant cette thèse sont présentés au travers du chapitre 2. L’implantation d’hydrogène est étudiée au cours du chapitre 3, l’épaisseur modifiée ainsi que la quantité d’hydrogène introduit par l’implantation ont été mesurées sur des substrats vierges de SiN. Ces mesures ont été réalisées via des profils fournissant des informations précieuses vis-à-vis de la réaction du substrat induite par le plasma. Ces profils ont été réalisés par l’intermédiaire de plusieurs méthodes de
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caractérisation décrites dans le chapitre 2. Le retrait « downstream » est abordé durant le chapitre 4, au travers d’une étude visant à mesurer la sélectivité entre matériau implanté et pristine soumise à différentes conditions. Cette étude a été menée dans le but de graver des échantillons patternés dans le cadre de techniques à expositions multiples. Plusieurs matériaux ont ainsi été étudiés (le SiN, le SiO2, et le poly- silicium) via des mesures ellipsométriques et XPS.
Le dernier chapitre traite de la gravure d’échantillons patternés pour des procédés comprenant plusieurs cycles de gravure incluant une étape d’implantation et une étape de retrait. Ce procédé a été appliqué sur des échantillons constitués de matériaux différents en effet. Ces gravures ont été réalisées sur des dépôts conformes de SiN ainsi que de SiO2.
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