Etude de nouvelles voies de passivation non polymérisante pour la gravure profonde du silicium

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polymérisante pour la gravure profonde du silicium

Corinne Duluard

To cite this version:

Corinne Duluard. Etude de nouvelles voies de passivation non polymérisante pour la gravure profonde du silicium. Physique [physics]. Université d’Orléans, 2009. Français. �tel-00413276�

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UNIVERSITÉ D’ORLÉANS

ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES LABORATOIRE GREMI

THÈSE présentée par :

Corinne DULUARD

soutenue

le : 27 mai 2009

pour obtenir le grade de : Docteur de l’université d’Orléans Discipline/ Spécialité : Physique des plasmas

Etude de nouvelles voies de passivation non polymérisante

pour la gravure profonde du silicium

THÈSE dirigée par :

M. Pierre RANSON Professeur, GREMI, Université d’Orléans – Directeur de thèse

M. Rémi DUSSART Maître de Conférences, GREMI, Université d’Orléans – Co-encadrant

RAPPORTEURS :

M. Pascal CHABERT Chargé de Recherche, LPP, Palaiseau M. Gilles CUNGE Chargé de Recherche, LTM, Grenoble

_____________________________________________________________________________________

JURY :

M. Christophe CARDINAUD Directeur de Recherche, IMN, Nantes – Président du jury M. Pascal CHABERT Chargé de Recherche, LPP, Palaiseau

M. Gilles CUNGE Chargé de Recherche, LTM, Grenoble

M. Rémi DUSSART Maître de Conférences, GREMI, Université d’Orléans M. Lawrence J. OVERZET Professeur, University of Texas at Dallas, USA

M. Michel PUECH Ingénieur R&D, Alcatel Micro Machining Systems, Annecy M. Pierre RANSON Professeur, GREMI, Université d’Orléans

M. Laurent VENTURA Professeur, LMP, Université François Rabelais, Tours

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Lestravauxdereherhe présentésdanse manusritont étéréalisésau laboratoireGREMI

(Groupede Reherhes surl'Energéti que desMilieux Ionisés), à Orléans.Je voudrais remerier

iilesnombreusespersonnesquiont ontribué au bondéroulement et àlaréussitede mathèse.

Jesouhaitetoutd'abordremerierhaleureuseme ntPierreRansonetRémiDussart,pourleur

enadrement , leurs onseils et laonane qu'ilsm'ont témoignée. Grâeà vous, j'ai beauoup

appris au ours de es trois années et demie. Je remerie Jean-Mihel Pouvesle, direteur du

GREMI, pour m'avoir aueillie au sein du laboratoire. Meri aussià MihelPueh et Niolas

Launay,ingénieurshezAlatelMiroMahiningSystems,pourm'avoirpermisd'eetuerette

thèsedansde bonnes onditions.

J'adresse mes remerieme nt s aux membres du jury, pour l'intérêt qu'ils ont porté à mes

travaux: Pasal Chabertet GillesCunge,qui ont aeptéd'être mesrapporteursdethèse,ainsi

queChristopheCardinaud, quiabienvouluprésiderlejury.MeriChristophepour lesanalyses

XPS. Meri également aux examinateurs de e jury de thèse, Larry Overzet, Mihel Pueh et

LaurentVentura.MerienpartiulieràLarry,quiestvenuhaqueannéetravaillerdansl'équipe,

et m'aapportéses ompétenes sur l'analysedesplasmas réatifs.

Je remerie vivement Brigitte Andrieu, qui a suivi ma thèse du té d'Alatel; meri pour

tonsoutienetta sympathie.MeriaussiàLaëtitia Popin,qui m'abienaidéelorsde monséjour

àAnney.

Toute magratitude à tous.gremi pourm'avoir bienaueillie et pour la bonne

ambiane qui règne au laboratoire!

UngrandmeriàPhilippeLefauheux, notreingénieurreherhe,poursagrandeexpériene

desdispositifsexpérimentaux,poursapatiene,sadisponibilité,maisaussisonéoute,sabonne

humeur et sondynamisme.

Je remerie énormément Evelyne Coudert, Christophe Dubois et Sylvie Jaurion pour leur

aidepréieuseaujourlejour,sanslaquelleonseperdraitdanslesméandresdel'administration.

Une pensée à Sylvie,pour sagentillesse,sonéoute et ses onseils, quee soit dansle domaine

professionnelou personnel.

Meri à Jaky Mathias pour avoir aligné à la perfetion le spetromètre optique... et pour

lespauses-thé.

Meri à tousmes aolytesnon permanentsde l'équipe gravure, ave quije partage de bons

souvenirs au GREMI, en onférene, aux réunions d'équipe du lundi à 8h30... et en dehors du

travail(parordred'aniennet é):XavierMellhaoui,ThomasTilloher,ThierryDufour,Laurianne

Pihon, Houine Oubensaid, Jérémy Péreira, Hao Jiang, Vinent Girault, Julien Ladroue. Bon

ourageàLaurianneet Thierrypourladernièrelignedroite etbonourageàJulien,lanouvelle

rerue,quisait bien que'estave l'espritlibre qu'onavane!

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Jérémy, j'ai été ravie de travailler ave toi et je te remerie de ton amitié. Laurianne, j'ai

vraimentapprisàteonnaîtreenthèse,aprèsl'éole; merid'avoirpartagélemême bureauque

moi pendant troisannées et demie,je suis heureuse d'être devenue ton amie.

Je remerie aussi tous les autres dotorants, post-dotorants, aniens et nouveaux, perma-

nents, que j'ai otoyés et ave qui les pauses-afés/thé, déjeuners et soirées étaient toujours

trèsanimés: EliseEl-Ahmar,AmaëlCaillard, Marjorie Cavarro,LénaïCouëdel, BinjieDong,

Sébastien Kouassi, Maxime Mikikian, Pasale Plantin, Sébastien Point, Hervé Rabat, Edward

Romero, Sylvain Triot, Clément Zaepel... mais aussi Eliane Amin Chalhoub, Larbi Bedra,

Mohamed Darif, Vinent Dolique, Catherine Dupuis, Romain Joussot, Emmanuel Le Boulbar,

Alain Leufroy, Hermane Mbisti, Ekaterina Rezugina, Gaëtan Wattieaux, Sujuan Wu... Meri

pour tous esmomentsagréables.

Des enouragem ent sàKhadija Arabi,LahibBalika,IbrahimChiboub,KheiraHameurlaine,

Mathieu Mougenot, MarVandamme, les nouveauxarrivés.

Les midis au GREMI étaient souvent synonymes d'ativités sportives, omme on dit un

esprit sain dans un orps sain. Meri don à Guy Coudrat, Sébastien Dozias, Carole Guégan,

Binjie,Philippe etSylviepourlespartiesdebadminton dumardi midi.Jen'oubliepasnonplus

mes ollègues de l'équipe de foot (nombreux, ils se reonnaîtront), qui ont eu la patiene de

m'apprendre les b.a.-badumaniement duballon rond...

Enn, je voudrais remerier mes parents et mas÷ur Claire pour m'avoir toujours soutenue

et enouragée à poursuivredansette voie.

Je termineraienremerianteluiquipartagemavie,Garrett,poursonaetion,sonsoutien

en touteironstane et saonane en moi.Meri,pour tout.

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Remeriements 3

Abréviations et symboles utilisés 7

1 Introdution 9

2 La gravure profonde du siliium 13

2.1 La gravure par plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.1 Caratéristiques de lagravure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1.2 Méanismes degravure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Soures plasmaradiofréquene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.1 Soures à ouplage apaitif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.2 Soures à ouplage indutif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3 Gravure plasmadu siliium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4 Proédés de gravureprofonde dusiliium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4.1 Proédé Bosh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4.2 Proédé degravure ryogénique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.3 Défautsaratéristiques desprols de gravure . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.5 Etudes surlagravure ryogéniquedu siliium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.6 Objetifsde lathèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3 Dispositifsexpérimentaux 39 3.1 Le réateurde gravure ICPAlatel 601E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.1 La soure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.2 La hambre de diusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.3 Le systèmede pompage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.4 Le porte-substrat ryogénique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.1.5 Utilisation delamahine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2 Les substrats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3 Diagnostis plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.3.1 Spetrométr ie de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.3.2 Spetrosopied'émission optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.4 Tehniquesde aratérisationex situ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

(7)

3.4.1 MirosopieEletronique àBalayage (MEB) . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.4.2 Spetrosopie Infrarougeà Transformée de Fourier (FTIR) . . . . . . . . . 60

3.4.3 Ellipsométrie spetrosopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.4.4 Spetrosopie dePhotoéle trons X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4 Gravures en himie plasmaSF6^/SO2 ⁶⁹ 4.1 Evaluationde laapaitéde passivationpar SO2 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ⁶⁹

4.2 Caratérisation duplasma SF6^/SO2 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ⁷³

4.2.1 Protoole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.2.3 Disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.3 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5 Gravures en himie plasmaSF6^/SiCl4 ⁸⁵ 5.1 Etude paramétrique de lagravuredu siliium par plasmaSF6^/SiCl4 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ⁸⁶

5.2 Caratérisation desneutres dansles plasmasSF6^/SiCl4 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ⁹⁰

5.2.1 Analysespréliminaires par spetrométriede masse . . . . . . . . . . . . . 90

5.2.2 Protoole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.2.3 Résultats et disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.3 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6 Gravures en himie plasmaSF6^/O2^/SiCl4 ¹⁰⁹ 6.1 Gravuredu siliium parplasma SF6^/O2^/SiCl4 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ¹¹⁰

6.2 Etude de lapassivation par plasmaSiCl4^/O2 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ¹¹⁵

6.2.1 Evaluationde laapaitéde passivation parplasma SiCl4^/O2 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ¹¹⁶

6.2.2 Analyses ex situ d'un lm déposé par plasma SiCl4^/O2^, ^évolution ^de ^ses aratéristiquesaprès exposition àun plasmaSF6 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ¹²⁰

6.3 Développement de proédés alternésSF6^SiCl4^/O2 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ¹²⁶

6.3.1 Premiersessais:alternanedequelquesétapesdeplasmaSF6 ^et^de^plasma SiCl4^/O2 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ¹²⁶

6.3.2 Proédés pulsésSF6^/SiCl4^SiCl4^/O2 ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ¹³¹

6.4 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7 Conlusion générale 135

Bibliographie 141

Table des gures 151

Annexes : publiations relatives au manusrit 157

(8)

Abréviation Desription

AR AspetRatio

ARDE AspetRatioDependentEthing

CCP CapaitivelyCoupledPlasma

ECR EletronCylotronResonane

ESC EletrostatiChuk

FTIR FourierTransformInfrared

GREMI GroupedeReherhessurl'Energétique desMilieuxIonisés

ICP IndutivelyCoupledPlasma

IR Infrarouge

MEB MirosopieEletroniqueàBalayage

MEMS Miro-EletromehanialSystem

MID MultiIonDetetion

MSC Mirostrutureolonnaire

OES OptialEmission Spetrosopy

RF Radiofréquene

RIE ReativeIonEther

SEM ii,multipliateurd'életronsseondaires

SOI SilionOnInsulator

UV Ultra-violet

XPS X-rayPhotoeletronSpetrosopy

(9)

Symbole/unité Desription

χ² ^inertitude^du^modèleellipsométrique

e életron/hargeélémentairedel'életron(1,6.10

−19

C)

eV eletron-volt (1eV=1,6.10

−19

J≡^11604.5^K⁾

IX ^intensité^d'émission ^optique^de^l'espèe^X^à^la^longueur^d'onde ^mesurée

m/z rapportmasse/harge(utilisépourlaspetrométriedemasse)

n indieoptique

Ψ^,∆ ^anglesellipsométriques

sm standardubientimetresperminute(unitédedébitdegaz)

T température

Te températuredeséletrons

Ti températuredesions

Tgaz températuredugaz

vg ^vitesse^de^gravure

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Introdution

Le siliium aété l'undes premiers semi-onduteurs, ave legermanium, à êtreutilisé pour

lafabriation de omposants de miroéletr onique . Depuis l'invention du transistor en 1947 et

laréalisation du premier iruit intégré sursiliium en 1958 (omportant un transistor, quatre

diodesetquelquesrésistanes),leniveaud'intégrationn'aesséd'augmenter.L'enjeureposesur

laminiaturisationdessystèmeséletroniquesembarquésand'aroîtreleursperformanes tout

endiminuant leur enombrement et leur oûtdefabriation.

Dans un premier temps, ette ourse à la miniaturisation a été menée par les proédés de

gravure humide. La limite de résolution de es proédés a été atteinte dans les années 70. Les

industrielsontalorsommenéàutiliserlagravureparplasma(ditegravuresèhe),quiprésente

lenet avantage de pouvoir ontrler l'anistropie des motifs gravés, 'est-à-dire de garantir une

vitesse de gravure vertiale plus grande que la vitesse latérale. Grâe au développement de

souresplasma à hautedensité telles que les soures à ouplage indutif, apablesde ontrler

indépendam ment le ux et l'énergie des ions positifs, les proédés de gravure et de dépt par

plasma sesont imposés et sont aujourd'hui omniprésents dans toutes les étapes de fabriation

d'un omposant de miroéletronique .

Lesiliiumestainsistruturéàl'éhellenanométriquepourl'élaborationdestransistorsMOS

(MetalOxide Semiondu tor) , briquesélémentaires de latehnologie de fabriation desiruits

intégrésCMOS (Complement ar yMOS). Ilestaussigravé àl'éhellemirométrique pourdénir

parexemple desviastraversantsoudestranhées pour desaissonsd'isolation oudesapaités

intégrées, onstitutifsde dispositifs de miroéletr onique de puissane.

La gravure dans le siliium de motifs à fort rapport d'aspet (profondeur du motif impor-

tante devant salargeur), dite gravure profonde, s'est progressivement diversiéeversle seteur

desMEMS (Miro EletroMehanial Systems), ar lesiliium possède d'exellentes propriétés

méaniquesqui font delui un matériau de hoix pour lamiro-méa nique [Rai-Choudhury 00℄.

LedéveloppementdesMEMSaonnuungrandessorave l'appliatio ndestehniquesde lami-

roéletronique [Rangelow95℄. Leurs appliationstouhent à de nombreux domaines : apteurs

(11)

physiques(aéléromèt res, apteurs de pression, gyromètres,mirophones), omposants de mi-

rouidique(imprimantesàjetd'enre,systèmesd'analysehimiqueetbiologiquepourontrler

l'environnementsurplae),omposantsdedétetionoptique(miroirsdeBraggsursiliiumpour

desavités deFabry-Pérot)et de guidage optique(miroirs, ristauxphotoniques)...

La gravure profonde du siliium est obtenue prinipalem ent par deuxproédés. Le proédé

Bosh, breveté [Laermer 96℄,est réputérobuste et estouramment employédansl'industrie, en

partiulierdansleseteurdesMEMS.Unedeseslimitations,ependant,résidedansl'utilisation

dehimieplasmapolymérisante,requise pour induirel'anisotropiede gravuremaisdéposant un

lmCx^Fy^aussi^bien^sur^les^parois^latérales^des^motifs^que^sur^les^parois^des^réateurs.^Sa^seonde

limitation estla présenerésiduelle de rugosité surles ans des motifs, due à l'alternane des

proessus de gravure et de protetion des parois latérales des motifs. Le proédé de gravure

profonde ryogénique du siliium en himie plasma SF6^/O2 ^présente ^l'av^antage ^d'obtenir ^des

ans lisses, dépourvus de résidus, ave desvitesses de gravure élevées. La gravure latérale est

inhibée grâe à une ouhe de passivation SiOx^Fy ^qui ^ne ^se ^forme ^qu'à ^très ^basse température

de substrat(de l'ordre de−¹⁰⁰ ^°C),^et ^pour ^de^faibles pourentage s d'oxygènedanslemélange injeté.

Pourdesappliationsdemiroéletronique , leontrledelarugositéestessentiellorsquedes

opérations de remplissage sont prévues. Une rugosité trop importante ou enore un bombage

des parois réent des zones de vide qui risquent de nuire aux aratéristiques életriques et

méaniques du dispositif. La possibilité de graver des strutures à fort rapport d'aspet ave

des parois lisses a susité l'intérêt de STMiroeletronis Tours, spéialisé dans la prodution

de omposants de miroéletronique de puissane, pour le proédé ryogénique. Les ativités

de reherhe au laboratoire GREMI sur e proédé ont débuté en 1997 en partenariat ave

ette entreprise et ave Alatel Miro Mahining Systems (alors ativité de Alatel Vauum

Tehnology), qui onçoit desmahines dédiéesà lagravure profondedu siliium.

Cette thèse s'insrit à la suite des travaux menés au laboratoire GREMI sur la gravure

profonde ryogénique du siliium par plasma SF6^/O2 ^[Aahboun^00, ^Boufnihel^02, ^Maros^02,

Mellhaoui 06, Tilloher 06a℄. Ces travaux ont permis, d'une part, le développement de proé-

dés de gravure de tranhées profondes, de trous traversants, et d'autre part ont ontribué à

une meilleureompréhension desméanismes réationnelsdansle plasmaSF6^/O2^,l'interation plasma/surfae et les méanismes de passivation. Les études sur le proédé de gravure ryogé-

nique du siliium ont également montré que elui-i est très sensible à de faibles variations de

paramètres telsquelatempérature desubstratoulepourentaged'oxygène, equionstitueun

obstale àsonutilisation dansl'industrie.

Cetravail dethèsesesituedansleadred'un projetindustrielen ollaborationave Alatel

Miro Mahining Systems (ontrat CIFRE), visant à augmenter l'ore de proédés de gravure

assoiéeau développement et à laommerial isation de leurs mahines de gravure profonde du

siliium.Leproédédegravure lemieuxmaîtriséetproposépar lasoiété estleproédéBosh,