Proédés pulsés SF 6 /SiCl 4 SiCl 4 /O 2

L'objetif étant d'améliorer les performanes de vitesse de gravure, le débit de gaz SF

6

^a

été augmenté entre 200 et 300 sm pour les essais de proédés pulsés. Les durées des étapes

de gravure et de passivation ont été réduites, entre 4 s et 10 s maximum. Plutt qu'ajuster la

pression à une valeur donnée pour haque étape, nous avons préféré ommander diretement

la position de la vanne de laminage. De même, la puissane bias a été xée au lieu d'asservir

l'autopolari sation des substrats en tension. Ces hoix permettent une stabilisation plus rapide

de la pression et de la tension bias à haque transition entre plasma de gravure et plasma de

dépt.Lespremiersessaisdeproédéspulsésontmontréleslimitationsdelavitessed'alternane

du débit de gaz SiCl

4

^{. Le débitmètre de ette ligne est en eet situé à près de 8 m de la zone}

d'injetion desgaz en haut de lasoure (1 m pour les autres lignes de gaz), e qui entraîne un

délai d'environ 3 s à l'établissement du débit maximal de 50 sm.Pour pallier à e problème,

ledébit degaz SiCl

4

^{aétéxéà50sm pendant touteladuréedesproédés,et}l'alternane se faituniquement surlesgaz SF

6

^{et O}

2

^.

La gure 6.19 présente les prols de tranhées d'ouverture 50 µ m, 10 µ m, 5 µ m et 2,5 µ m

gravésdansles onditionssuivantes:

étapes de plasma SF

6

^/SiCl

4

^{: SF}

6

^{250 sm, SiCl}

4

^{50 sm, ouverture de vanne 47,5 %,}

1000 Wsoure, 50W bias,10s,

−

^{20 °C}

étapesdeplasmaSiCl

4

^/O

2

^:SiCl

4

^50sm,O

2

^{25sm,ouverturedevanne42%,1000 W}

soure, 50Wbias,

−

^{20 °C}

Laduréedesétapesde plasmaSiCl

4

^/O

2

^{a étéxéeà4 s,7s et 10 s.Lesproédésommenent}

par une étape de plasma SiCl

4

^/O

2

^{. La pression et latension} d'autopolarisation sont d'environ

1Paet

−

^{66VenplasmaSiCl}

₄

^/O

₂

^etde4Paet

−

^{36VenplasmaSF}

₆

^/SiCl

₄

^{.Cesvaleursvarient}

légèrement au ours d'une étape de gravure (0,2 Pa et 2 V en moyenne): ela provient

ertai-nement d'uneévolution delahimieduplasma, arlesradiauxdeuor graventledéptformé

sur le siliium mais aussi sur les parois du réateur. Les proédés durent au total 10 minutes,

donneomportent paslemêmenombred'étapesdegravure(entre35et 54).Nousavonshoisi

de xer la durée du proédéplutt quele nombre d'alternanes an de pouvoir omparer plus

failement lesvitesses de gravurevertiale moyennes.

La passivationestinsusante pourunrapportyliquegravure/passivationde7/4.Pour les

tranhéesd'ouverture5µ met2,5µ m,lesvaleursdel'underutatteignentrespetivement7,2µ m

et4,9µ m,et1,5µ met2,3µ mpourlebowing.Danslesonditionsexpérimentalestestées,ladurée

des étapesde plasma SiCl

4

^/O

2

^{doit être au moinsaussi grandeque elle desétapes SF}

6

^/SiCl

4

pour parveniràprotégereaement lesparoislatéralesdesstruturesdeplusfaible ouverture.

La dépendane de l'eaité de la passivation à l'ouverture des tranhées est enore plus forte

queequiaétéobservé lorsdelamiseaupointdeproédésalternésSF

6

^SiCl

4

^/O

2

^(voirimages

MEB de lagure 6.18). Contrairement auxproédés de gravure enhimie plasmaSF

6

^/O

2

^(.f.

exemple de prols gravés par plasma SF

6

^/O

2

^{en gure 6.1), la ouhe de} passivation est plus résistante danslesmotifs degrandeouverture.Le transportdesespèesSiCl

x

^{et Oà} l'intérieur des tranhées ne doit don pasêtre aeté de lamême manièrepar l'ouverture des motifs. Les

imagesMEBdelagure6.6ontmontréunralentissementdel'attaquehimiqueparlesradiaux

de uor, dans le as des tranhées de 50 µ m, après une étape de plasma SiCl

4

^{. Ces résultats}

indiquent que la ouhe de passivation SiO

x

^Cl

y

^{se rée à la surfae du siliium : les espèes}

SiCl

x

s'adsorbentàlasurfaeet lesradiauxOréagissentaveellesenformantdesliaisonsSiO plusrésistantes. L'adsorption d'un plus grand nombre de préurseurs depassivationSiCl

x

^dans

lesmotifs degrandeouverture pourraitexpliquerlaformation d'uneouhe depassivationplus

résistante quedansle asdetranhéesde faible dimension.

Pourlesrapportsyliquesgravure/passivation7/7et 7/10,lestranhéesde50µ met10µ m

ne sont gravéesque le longdes parois. Cet eet est ertainement lié à laformation d'un dépt

SiO

x

^Cl

y

^{plusépaisauentredesmotifsqu'auxbords; ette}inhomogéné it éenépaisseurest ou-rantepourlesdéptsd'oxydedansdesstruturesanisotropesparPECVDlorsquelesoeients

deollagedespréurseursdeformationdel'oxydesontélevés[Lieberma n 05℄.Leproessuspeut

être ampliépar unux ioniqueplus élevélelong desparois (trenhing).

Les profondeurs atteintes après 10 minutes de proédésont, pour les tranhées d'ouverture

5 µ met 2,5 µ m, respetivement de 28,2 µ met 22,3 µ mdansle asd'étapesSiCl

4

^/O

2

^{de7 s et}

de 22,3 µ met 20,1 µ mdansle asd'étapesde 10 s : lesvitesses de gravure vertiale moyennes

sont don supérieures à 2 µ m/min. Le salloping est ompris entre 400 nm et 600 nm et la

rugositémoyenne desparoislatérales entre200 nm et 300 nm.L'underutestréduit de 950nm

à640 nm pour lesmotifsd'ouverture 2,5µ mlorsque laduréedepassivation passede7 sà 10s.

Globalement, lerapportylique gravure/passivation de 7/10 estelui qui permet d'obtenir les

prols les plusdroitssurtoute lahauteur destranhées.

Pour diminuer l'amplitude des défauts de gravure latérale, la puissane bias au ours des

étapesdegravure ommede passivationseraitàadapter, latensiond'autopolarisations'élevant

ii à

−

^{66 V en plasma SiCl}

₄

^/O

₂

^{et à}

−

^{36 V en plasma SF}

₆

^/SiCl

₄

^{. Le proédé peut don être}

optimisé, et lesparamètres plasma sont àajuster pour haque ouverture de motif.

6.4. Développement deproédés alternésSF

6

^SiCl

4

^/O

2

Fig. 6.19 Inuene de la durée des étapes de plasma SiCl

4

^/O

2

^{sur les prols de tranhées}

d'ouverture 50µ m, 10 µ m, 5 µ met 2,5µ m. Lesmotifs ont étégravés par unproédé alternant

pendant 10 minutes étapes de gravure par plasma SF

6

^/SiCl

4

^(SF

6

^{250 sm, SiCl}

4

^{50 sm,}

vanne 47,5 %, 1000 W soure, 50 W bias, 10 s,

−

^{20 °C) et étapes de} passivation par plasma SiCl

4

^/O

2

^(SiCl

4

^{50 sm, O}

2

^{25sm, vanne42 %, 1000 Wsoure,50 Wbias,}

−

^20°C).

6.4 Conlusions

An d'évaluer les possibilités de gravure du siliium par plasma SF

6

^/O

2

^/SiCl

4

^{, nousavons}

étudié l'impat de l'ajout de SiCl

4

^{aumélange SF}

6

^/O

2

^{. A} température de substrat de

−

^{75 °C,}

l'injetion d'un faible débit de SiCl

4

^{(1,5 % du débit total) réduit la résistane de la ouhe}

de passivation, favorisant l'attaque himique latérale par les radiaux de uor. A température

de substrat de

−

^{20 °C et ave un débit de O}

₂

^{égal à elui de SF}

₆

^{, lagravure latérale s'aroît}

également avel'augmentat ion dupourentagedeSiCl

4

^{,tandis quelaprofondeuretlaquantité}

desiliiumgravéeaugmentententre0et11%deSiCl

4

^{avantdediminuer pourdes}pourentage s supérieurs. Cette baisse du taux de gravure est attribuée à elle de la onentration de uor,

résultant de réations ave les espèes SiCl

x

^{pour former des moléules SiF}

4

^{. Le maximum de}

quantité desiliium gravée et l'apparitionde défautsde gravurelatérale seraient ausés pardes

réations àlasurfaedusiliium : lesatomesClentrenten ompétitionave lesatomesOpour

l'adsorptionsurlesparoisdesmotifs,etlaouhedepassivationainsirééeseraitmoinsrésistante

àl'attaquehimiqueparlesatomesF.L'augment ationdelavitessedegravurevertialepourrait

aussi s'expliquer par un retrait plus eae de la ouhe de passivation en fond de motif. Les

performanes degravure du siliiumen himieplasmaSF

6

^/O

2

^/SiCl

4

^{sontdon limitées.}

Nous avons alors privilégié une approhe utilisant des yles de passivation par plasma

SiCl

4

^/O

2

^{. Une étude}paramétrique a permis detrouver les paramètres adéquats pour former, à

température de substrat de

−

^{20 °C, une ouhe de} passivation résistante à l'attaque himique latéraleenplasmadegravureSF

6

^.Lapassivationlapluseaeestobtenuepourunrapportde

débits SiCl

4

^/O

2

^de

2 : 1

^{, une pressionde 1Paet unepuissane sourede 1000 W.Desanalyses}

ex situ sur un lm déposé sur substrat de siliium massif dansles mêmes onditions montrent

queelui-i esttrèsrihe enoxygène; lehlore ontenudanslaouhedisparaît aprèsremontée

à température et pression ambiantes. Ces analyses ainsi que des essais de passivation à plus

haute température de substrat indiquent qu'un lm SiO

x

^Cl

y

^{se dépose aussisur les parois du}

réateur. Des étapesde nettoyage du réateur par plasma SF

6

^{doivent don être insérées pour}

limiterl'aumulati onde produits SiO

x

^Cl

y

^{surles parois et éviter desdérivesde proédés.}

A partir de es résultats, des proédés de gravure du siliium alternant étapes de gravure

par plasmaSF

6

^{et étapesde}passivationpar plasmaSiCl

4

^/O

2

^ontétédéveloppés.Lespremières expérienesmontrentqu'ilestpossibledelimiterlagravurelatérale,ontrlerlapentedesprols

etl'amplitudedusallopingenajustantladuréedesétapesdegravureetdepassivationainsique

lapressionetlatensiond'autopolarisationpendantlesétapesdeplasmaSiCl

4

^/O

2

^.Desessaisen

onditionsplusprohesdeproédésdegravureindustriels ontpermisd'atteindredesvitessesde

gravure supérieures à 2 µ m/min. L'eait é de passivation est meilleure dans les tranhées de

grandeouverture.Unplusgrand nombrede préurseursSiCl

x

^peuvent probablement s'adsorber sur les parois latérales des motifs et mener, par réations ave des atomes O, à la formation

d'uneouhe de passivation plusrésistante quedansle asde tranhées defaible dimension.

Conlusion générale

L'objetifde l'étudeprésentéedanse manusritonsistaità développer unproédéde

gra-vure profondedu siliium, qui fontionne à plus hautetempérature de substrat que le proédé

ryogénique en himie plasma SF

6

^/O

2

^{, et qui présente une meilleure stabilité en} température et en onentration de gaz passivant(s). Dans e but, de nouvelles voies de passivation ont été

explorées,enomplément ouenremplaement del'oxygène,et enonservantlegaz SF

6

^omme

préurseurd'agentsde gravure.

La première partie de ette thèse a porté sur l'étude des possibilités de passivation par le

dioxyde de soufre en remplaement du dioxygène, toujours à température de substrat

ryogé-nique.Des essais de gravure de tranhées dansle siliium ont étéréalisés par plasma SF

6

^/SO

2

omparativement à lahimie SF

6

^/O

2

^{, puis des mesures de densités relatives d'espèes neutres}

ont été eetuées par spetrométrie demasse et atinométrie pour mettre en évidene l'impat

du hangement de O

2

^{vers SO}

2

^{sur lahimie du plasma, en présene ou non d'un substrat de}

siliium massif. Dans les deux himies plasma, l'augmentat ion de la densité d'atomes O ave

le pourentage de gaz passivant (O

2

^{ou SO}

2

^{) favorise les réations entre les espèes SF}

x

^{et O}

pour produire des espèes stables SOF

2

^{, SO}

2

^F

2

^{et SOF}

4

^{. En plasma SF}

6

^/SO

2

^{, les réations}

hétérogènesimpliquant lesespèesSOF et SO

2

^{ave les atomesFsont} privilégiées,réant ainsi davantage de moléules SOF

2

^{et SO}

2

^F

2

^{, mais onsommant à ette oasion des atomes F. En}

plasmaSF

6

^/O

2

^{, untauxplusélevé deradiauxO}disponiblespour réagir avedesespèesSF

x

^,

et notamment SF

5

^{, peut expliquer la}onentrationplus forted'espèesSOF

4

^.

Les variations de shémas réationnels que nous proposons entre les deux himies plasma

SF

6

^/O

2

^{et SF}

6

^/SO

2

^{sont uniquement mesurablespour des}onentrations de gaz passivant im-portantes (rapports de débits O

2

^/SF

6

^{et SO}

2

^/SF

6

^{supérieurs à 0,1). Le seuil} d'oxydation, au delà duquel une ouhe de passivation se forme et réduit fortement la vitesse de gravure, est

ainsiatteint pour les mêmes débits de O

2

^{et SO}

2

^{. Par onséquent, il est logique d'obtenir des}

prols de gravure similaires lorsque la gravure du siliium s'eetueà température de substrat

ryogénique ave un faible débit de gaz O

2

^{ou SO}

2

^{. Le dioxyde de soufre peut don très bien}

êtreutilisé enremplaement dudioxygènepour permettrelapassivationdesparoislatéralesdes

motifs, mais il n'est pasdissoié plus eaement en radiaux oxygène. Deplus, leproédé de

gravure ryogénique par plasma SF

6

^/SO

2

^{est aussisensible quele proédépar plasmaSF}

6

^/O

2

aupourentagedegaz passivant,àlatempérature desubstratet àl'eetdehargepartiulaire .

La plus grandepartie dee travailde thèse a ensuiteété onsaréeà l'étudede lamoléule

SiCl

4

^{omme préurseurde}passivation. Lesétudes préédemmentréaliséesaulaboratoire surla gravuredusiliium parplasmaSF

6

^/O

2

^{ont montréquelesproduitsde gravureSiF}

4

^partiipent

à laonstrution d'une ouhe de passivation SiO

x

^F

y

^{qui désorbe notamment sous forme SiF}

4

à une température de

−

^{70 °C; l'idée a étéd'évaluer siles moléules SiCl}

4

^{, produits de gravure}

majoritaires en plasma hloré, pourraient jouer un rle similaire en aidant à la réation d'une

ouhe de passivationrésistante, àplus hautetempérature desubstrat.

Préalablementauxreherhessurlagravure dusiliiumparplasmaSF

6

^/SiCl

4

^/O

2

^,une

ana-lysedesinterations entreles espèesgénéréesdansleplasmaSF

6

^/SiCl

4

^{s'estavérée néessaire.}

Dans les onditions plasma que nous avons testées (débit total de gaz 50 sm, pression 5 Pa,

puissane soure 1000 W, tension d'autopolarisation

−

^{50 V,} température de substrat de 0 à

−

^100°C),l'augmentation dupourentagedeSiCl

4

^{danslemélangeinjetéentraîneuneforte}

di-minutiondelavitessedegravuredusiliiumet,dansunemoindremesure,ontribueàaméliorer

l'anisotropie desprols de gravure. Pour expliquer et eet,nous avonsaratérisé les

onen-trationsdediérentesespèesneutres dansleplasmaen interationaveunsubstratdesiliium

massif.En plasmaSF

6

^/SiCl

4

^{, les radiauxde uor sont}prinipalem ent onsommés pour réagir avelesespèesSiCl

x

^{.Cesréationsontlieuaumoinsenpartiesurlesparoisduréateur,eque}

nousavonsdémontrépar desmesuresrésolues temporellement durant uneétape deplasmaSF

6

suivantuneétapedeplasmaSiCl

4

^{.Leproduitdeesréationsest}majoritairementSiF

4

^{, dontla}

onentrationestmaximalepour60%deSiCl

4

^{injeté.Endeçadee}pourentage ,lesmoléules SiCl

4

^{sont toutesdissoiéeset audelà, lesraiesd'émission d'atomesdeuor ne sontplus}

déte-tables. Ainsi, laonentration atomique de uor disponible pour lagravure est réduite, e qui

expliquelahute rapidedelavitessedegravuredusiliiumavel'augmentationdupourentage

de SiCl

4

^{. Cette forte réativité entre atomes F et espèes SiCl}

x

^{a également un impat sur les}

onentrations des espèes SF

x

^{et sur la réation de nouvelles espèes, telles que ClF, SF}

5

^Cl,

S

2

^F/S

2

^F

2

^{et Cl}

2

^{. Nous pensons que les moléules Cl}

2

^{formées en plasma SF}

6

^/SiCl

4

^peuvent,

après adsorption dissoiative à la surfae du siliium, partiiper à un eet de gravure assistée

ioniquement et don à l'améliorat ion del'anisotropie, onstatée pour les prols detranhées.

L'étude duplasmaSF

6

^/SiCl

4

^{apermis demontrerqueles réationsauxparoisentreatomes}

Fet espèesSiCl

x

^{ontrlent lahimieduplasma etdon les propriétésde gravure dusiliium.}

En plasmaSF

6

^/O

2

^/SiCl

4

^{, esréations sont enore} importantes et ontribuent àla diminution de lavitessede gravure dusiliiumlorsque ledébitde SiCl

4

^{passe de0à 20% dumélange. Les}

essaisdegravuredetranhéesdanslesiliium montrent que,pour destempérature sdesubstrat

de

−

^75°Cet

−

^{20°C,l'ajoutdeSiCl}

₄

^àSF

₆

^/O

₂

^{aaussipoureetdefavoriserl'attaquehimique}

latérale.L'apparitiondedéfautsdegravurelatéraleseraitauséepardesréationsàlasurfaedu

siliium: lesatomesClentrentenompétitionavelesatomesOpourl'adsorptionsurlesparois

des motifs, et la ouhe de passivation ainsi réée serait moins résistante à l'attaque himique

par lesatomes F.Les testsparamétriquesen himieplasma SF

6

^/O

2

^/SiCl

4

^{ont don montréles}

limitesd'unetelle approhe pour graver desstruturesà fortrapportd'aspetdanslesiliium.

Nous avons alors exploré la possibilité de former une ouhe de passivation par plasma

SiCl

4

^/O

2

^àtempératuredesubstratde

−

^{20°C.Uneétude}paramétriqueaétémenéeenfontion desdébitsdegazSiCl

4

^etO

2

^{,delapressionetdelapuissanesourepourtrouverlesparamètres}

adéquatsà laformation d'une ouhe de passivation résistante à l'attaquehimique latérale en

plasmadegravure SF

6

^{. La}passivationlaplus eae àtempérature desubstrat de

−

^{20 °Cest}

obtenue pour un rapport de débits SiCl

4

^/O

2

^de

2 : 1

^{, une pression de 1 Pa et une puissane}

sourede 1000 W. Des analyses ex situ (ellipsométrie, spetrosopieFTIR et XPS)sur unlm

déposé sursubstrat de siliium massifdans lesmêmes onditions montrent queelui-i esttrès

rihe en oxygène; le hlore ontenu dans la ouhe disparaît après remontée à température et

pressionambiantes.

Apartirdeesrésultats,desproédésdegravuredusiliiumalternantétapesdegravurepar

plasma SF

6

^{et étapes de} passivation par plasma SiCl

4

^/O

2

^{ont été} développés. An de limiter la gravure latérale, ontrler la pente des prols et l'amplitude du salloping, il est néessaire

d'ajuster la durée des étapes de gravure et de passivation ainsi que la pression et la tension

d'autopolarisation pendant les étapes de plasma SiCl

4

^/O

2

^{. Quelques essais ont nalement été}

réalisés en onditions plus prohes de proédés de gravure industriels. Des vitesses de gravure

supérieures à 2µ m/min ont pu être atteintes. Cependant, le proédéest à adapter en fontion

de l'ouverture du motif. L'eaité de passivation est en eet meilleure dans les tranhées de

grandeouverture.Unplusgrandnombre depréurseurs SiCl

x

^peuventprobablements'adsorber sur les parois latérales des motifs et mener, par réations ave des atomes O, à la formation

d'uneouhede passivationplusrésistante quedansleasdetranhéesdefaible dimension.La

variabilitédespropriétés degravureenfontionde l'ouverturedesmotifsestaentuéepour es

essais où le débit de SiCl

4

^{a été xé à 50 sm pendant tout le proédé; des proédés pulsés}

SF

6

^SiCl

4

^/O

2

^{,pourlesquelsledébitdeSiCl}

4

^{pourraêtrevariérapidement de0smengravure}

à50sm enpassivation,permettrontsans douted'obtenirdesprolsplus homogènespour des

ouverturesde motifsvariées.

Le proédéde gravure plasma dusiliium alternant étapes SF

6

^{et SiCl}

4

^/O

2

^{a l'avantagede}

fontionner à température de substrat de

−

^{20 °C. Sa} sensibilité à la température n'a pas été enoreéprouvée mais,d'aprèsles résultatsd'analysesex situ de lms SiO

x

^Cl

y

^,l'épaisseur de la ouhedepassivationestenoresigniativeaprèsremontéeàtempératureetpressionambiantes,

equisuggèreuneplusgranderobustesseduproédéàdesvariationsdetempératureparrapport

àunproédédegravureryogéniqueenhimieSF

6

^/O

2

^.Lepremierinonvénientd'untelproédé estlarugositédesansdesmotifsinhérenteàl'alternaned'étapesdegravureetdepassivation.

Sur e point,les étudesde e proédéne sont quepréliminaires; lesdéfauts de gravurelatérale

peuvent ertainement être réduits en optimisant le rapport ylique gravure/passivation et la

tensiond'autopolarisation. Le seondinonvénient dee proédéestledépt d'un lmSiO

x

^Cl

y

sur les parois du réateur. Pour limiter les dérives de proédé, nous insérons atuellement des

étapesdeplasmaSF

6

^{entrehaqueproédédegravure.Ilserait}ertainementbénéqued'installer un hemisage hauant (liner) sur les parois du réateur pour réduire l'adsorption d'espèes

SiCl

x

^.

Les plus et les limitations du proédé de gravure proposé à l'issue de ette thèse semblent

don très prohes de e que est obtenu ave le proédé Bosh (alternane d'étapes de gravure

SF

6

^{et de} passivation C

4

^F

8

^{), sie n'est queledépt estde type SiO}

x

^Cl

y

^{et non}arbonouor é.

Vis àvisd'un proédéde gravure ontinu parplasma SF

6

^/O

2

^adaptéàune température de

substratde

−

^{20 °C,leproédéalternéSF}

₆

^SiCl

₄

^/O

₂

^{ne néessitepasundébit degaz passivant}

aussiélevé queelui de SF

6

^{pour réer une ouhe de} passivation résistante à l'attaquepar les radiauxde uor.Enproédéontinu,lagravure anisotrope estpermisepar laformationd'une

aussiélevé queelui de SF

6

^{pour réer une ouhe de} passivation résistante à l'attaquepar les radiauxde uor.Enproédéontinu,lagravure anisotrope estpermisepar laformationd'une

Dans le document Etude de nouvelles voies de passivation non polymérisante pour la gravure profonde du silicium (Page 132-177)