Développement de procédés de gravure plasma sans dommage pour l'électronique de puissance à base de GaN PDF Download
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Author: Frédéric Le roux
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En électronique de puissance, le GaN est devenu un matériau de choix : il répond à des enjeux de haute performance énergétique, tout en favorisant une compacité et une légèreté des composants. Lors de la fabrication de dispositifs de puissance basés sur une hétérostructure AlGaN/GaN, la gravure plasma induit des dégradations dans le matériau et réduit les propriétés électroniques des composants notamment les diodes et les HEMT (High Electron Mobility Transistors). Ces travaux de thèses se sont focalisés sur l'étude de ces dégradations et proposent des procédés de gravure industrialisables qui diminuent l'impact de ces plasmas. Nous nous sommes concentrés dans un premier temps sur les mécanismes de dégradation intervenant pendant la gravure du SiN avec arrêt sur AlGaN, en fonction de différents paramètres plasma. Les caractérisations électriques et physico-chimiques (notamment l'XPS) ont permis de mettre en avant différents mécanismes de dégradations et d'en proposer un modèle synthétique. Nous avons identifié deux facteurs principaux de dégradation électrique : d'une part, le bombardement ionique énergétique qui modifie les stœchiométries de surface, favorise l'implantation de contaminants, perturbe la qualité cristalline de la maille et provoque la pulvérisation de l'AlGaN. Un seuil en énergie, sous lequel les dégradations restent limitées, a cependant été démontré et éprouvé. Le second facteur identifié est l'épaisseur modifiée. Plus l'épaisseur modifiée est importante, plus elle a une influence sur le canal électronique et ses propriétés. Cette épaisseur peut être augmentée par une haute énergie de bombardement ou par l'utilisation d'éléments légers qui s'implantent en profondeur dans l'AlGaN. Dans un second temps, ces résultats ont servi de cadre pour le développement de procédés innovants afin de limiter l'endommagement lors de la gravure GaN. Nous avons étudié trois procédés cycliques de type ALE : O2-BCl3, Cl2-Ar et Cl2-He. Leurs études ont permis de mettre en évidence leurs différentes caractéristiques d'autolimitations et de sélectivités ainsi que de proposer des modèles de mécanismes de gravure. La caractérisation et la comparaison avec les procédés standards ont soulignés leurs performances et notamment leurs capacités à diminuer les dégradations électriques induites pendant la gravure.
Author: Frédéric Le roux
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En électronique de puissance, le GaN est devenu un matériau de choix : il répond à des enjeux de haute performance énergétique, tout en favorisant une compacité et une légèreté des composants. Lors de la fabrication de dispositifs de puissance basés sur une hétérostructure AlGaN/GaN, la gravure plasma induit des dégradations dans le matériau et réduit les propriétés électroniques des composants notamment les diodes et les HEMT (High Electron Mobility Transistors). Ces travaux de thèses se sont focalisés sur l'étude de ces dégradations et proposent des procédés de gravure industrialisables qui diminuent l'impact de ces plasmas. Nous nous sommes concentrés dans un premier temps sur les mécanismes de dégradation intervenant pendant la gravure du SiN avec arrêt sur AlGaN, en fonction de différents paramètres plasma. Les caractérisations électriques et physico-chimiques (notamment l'XPS) ont permis de mettre en avant différents mécanismes de dégradations et d'en proposer un modèle synthétique. Nous avons identifié deux facteurs principaux de dégradation électrique : d'une part, le bombardement ionique énergétique qui modifie les stœchiométries de surface, favorise l'implantation de contaminants, perturbe la qualité cristalline de la maille et provoque la pulvérisation de l'AlGaN. Un seuil en énergie, sous lequel les dégradations restent limitées, a cependant été démontré et éprouvé. Le second facteur identifié est l'épaisseur modifiée. Plus l'épaisseur modifiée est importante, plus elle a une influence sur le canal électronique et ses propriétés. Cette épaisseur peut être augmentée par une haute énergie de bombardement ou par l'utilisation d'éléments légers qui s'implantent en profondeur dans l'AlGaN. Dans un second temps, ces résultats ont servi de cadre pour le développement de procédés innovants afin de limiter l'endommagement lors de la gravure GaN. Nous avons étudié trois procédés cycliques de type ALE : O2-BCl3, Cl2-Ar et Cl2-He. Leurs études ont permis de mettre en évidence leurs différentes caractéristiques d'autolimitations et de sélectivités ainsi que de proposer des modèles de mécanismes de gravure. La caractérisation et la comparaison avec les procédés standards ont soulignés leurs performances et notamment leurs capacités à diminuer les dégradations électriques induites pendant la gravure.
Author: Maxime Bizouerne
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L'augmentation des performances des dispositifs de la microélectronique repose encore pour une dizaine d'années sur une miniaturisation des circuits intégrés. Cette miniaturisation s'accompagne inévitablement d'une complexification des architectures et des empilements de matériaux utilisés. Au début de cette thèse, une des voies envisagées pour poursuivre la miniaturisation était de remplacer, dans une architecture finFET, le canal en silicium par un semi-conducteur à plus forte mobilité électronique, tel que l'In0,53Ga0,47As pour les transistors nMOS. Une étape essentielle à maitriser dans la fabrication des transistors finFET à base d'InGaAs est celle de la gravure plasma qui permet d'élaborer l'architecture du canal. En effet, pour assurer un fonctionnement optimal du transitor, il est primordial que les procédés de gravure ne génèrent pas de défauts sur les flancs du canal tels que la création de rugosité ou une perte de stœchiométrie. L'objectif principal de cette thèse est ainsi de réaliser la structuration du canal 3D d'InGaAs par gravure plasma en générant un minimum de défaut sur les flancs. Pour cela, nous avons évalué trois stratégies de gravure. Des premières études ont visé le développement de procédés de gravure en plasmas halogénés à température ambiante (55°C). De tels procédés conduisent à des profils pentus et rugueux du fait de redépôts InClx peu volatils sur les flancs des motifs. Dans un second temps, des procédés de gravure en plasma Cl2/CH4 à haute température (200°C) ont été étudiés et développés. Des motifs anisotropes et moins rugueux ont pu être obtenus, grâce à la volatilité des produits InClx et à la présence d'une passivation des flancs de type SiOx. Enfin, un concept de gravure par couche atomique, qui consiste à alterner deux étapes de procédé au caractère autolimité, a été étudié. Une première étape d'implantation en plasma He/O2 qui permet une modification de l'InGaAs sur une épaisseur définie suivie d'une étape de retrait humide en HF. Pour ces trois stratégies de gravure, une méthodologie permettant de caractériser de manière systématique les défauts engendrés sur les flancs a été mise en place. La spectroscopie Auger a permis d'accéder à la stœchiométrie des flancs tandis que la rugosité a été mesurée par AFM. Les résultats issus de la caractérisation des flancs des motifs gravés ont alors montré la nécessité de mettre en œuvre des procédés de restauration de surface. Un procédé combinant une étape d'oxydation par plasma de la surface d'InGaAs suivi d'un retrait par voie humide de la couche oxydée a ainsi été proposé. Ce traitement permet effectivement de diminuer la rugosité des flancs des motifs mais a accentué un enrichissement en arsenic déjà présent après les procédés de gravure.
Author: Elodie Sungauer
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La miniaturisation des dispositifs CMOS impose d'introduire de nouveaux matériaux dans l'empilement de grille des transistors. Ainsi, l'empilement classique poly-silicium/SiO2 est remplacé par un empilement poly- silicium/métal/matériau à haute permittivité diélectrique. L'introduction de ces nouveaux matériaux nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma. L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma capable de graver une fine couche de diélectrique (HfO2 dans notre cas) sélectivement par rapport au substrat de silicium sous-jacent. Cette étude montre que les plasmas à base de BCl3 sont très prometteurs dans ce domaine. En effet, les mécanismes de gravure en BCl3 reposent sur une compétition entre gravure et formation d'un dépôt de BCl sur la surface. La transition d'un régime à l'autre est contrôlée par l'énergie des ions du plasma. Comme le seuil de gravure en énergie est plus faible pour HfO2 que pour les substrats contenant du Si, il est possible d'obtenir une sélectivité de gravure infinie en ajustant l'énergie des ions judicieusement. De plus ce travail souligne le rôle important du conditionnement des parois du réacteur de gravure dans les mécanismes mis en jeu en plasma de BCl3. Enfin, des procédés de gravure répondant aux problèmes de sélectivité et d'anisotropie de gravure sont proposés pour graver la fine couche de HfO2 de grille.
Author: Odile Mourey
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La course à la miniaturisation des dispositifs oblige les industriels a développé sans cesse de nouvelles technologies de gravure afin de contourner les limites imposées par les procédés plasmas continus CW à haute densité. Parmi ces nouvelles technologies on trouve, les plasmas pulsés en impulsion courtes introduits depuis une dizaine d'année et le procédé de gravure cyclée développé très récemment par Applied Materials. Ces deux types de procédés de gravure présentent la caractéristique d'avoir un faible flux d'ions. Au premier abord, cette faible densité d'ions énergétiques permet la diminution des défauts induits par les ions. Cependant, un problème se pose lorsque le nombre d'ions impactant la surface devient trop faible (moins de 1 ions/site atomique/s). Ce travail de thèse se concentre donc ici sur l'étude de l'impact de la stochasticité du bombardement ionique sur l'état de la surface dans les deux procédés de gravure utilisés. Dans un premier temps, nous avons focalisé notre travail sur l'interaction entre les plasmas pulsés de chlore puis d'HBr et le silicium. A faible rapport de cycle, une très forte rugosité de surface a été observée sans lien avec un phénomène de micro-masquage. Des diagnostics plasma ont révélés que la présence d'un très faible flux d'ions énergétique couplé avec forte réactivité chimique engendre une forte augmentation du taux de gravure créant ainsi la rugosité de surface. Dans un second temps, l'étude du plasma capacitif d'hydrogène utilisé pour la modification du SiN durant le procédé de gravure cyclée a montré après retrait de la couche modifiée en plasma délocalisé, la présence d'une rugosité de surface au sommet des espaceurs nitrure qui n'est pas acceptable pour l'application du « simplified quadruple patterning ». Une étude paramétrique de l'état de surface a permis de mettre en évidence l'impact direct de la faible quantité d'ions H+ reçue par le matériau et la rugosité observée. La stochasticité du bombardement ionique implique donc une modification inhomogène du SiN qui est révélée lors de la phase de retrait et amplifiée au cours des cycles générant une rugosité de surface.Mots-clés : Microélectronique, procédés de gravure, plasma, stochasticité, ions.
Author: Elodie Sungauer
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La miniaturisation des dispositifs CMOS impose d'introduire de nouveaux matériaux dans l'empilement de grille des transistors. Ainsi, l'empilement classique poly-silicium/SiO2 est remplacé par un empilement poly- silicium/métal/matériau à haute permittivité diélectrique. L'introduction de ces nouveaux matériaux nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma. L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma capable de graver une fine couche de diélectrique (HfO2 dans notre cas) sélectivement par rapport au substrat de silicium sous-jacent. Cette étude montre que les plasmas à base de BCl3 sont très prometteurs dans ce domaine. En effet, les mécanismes de gravure en BCl3 reposent sur une compétition entre gravure et formation d'un dépôt de BCl sur la surface. La transition d'un régime à l'autre est contrôlée par l'énergie des ions du plasma. Comme le seuil de gravure en énergie est plus faible pour HfO2 que pour les substrats contenant du Si, il est possible d'obtenir une sélectivité de gravure infinie en ajustant l'énergie des ions judicieusement. De plus ce travail souligne le rôle important du conditionnement des parois du réacteur de gravure dans les mécanismes mis en jeu en plasma de BCl3. Enfin, des procédés de gravure répondant aux problèmes de sélectivité et d'anisotropie de gravure sont proposés pour graver la fine couche de HfO2 de grille.
Author: Philippe Bézard
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Le coût de la poursuite de la miniaturisation des transistors en-dessous de 14 nm demande l'introductionde techniques moins onéreuses comme l'approche auto-alignée par copolymères à blocs (DSA) combinéeà la lithographie 193 nm. Etudiée principalement pour des motifs de tranchées (pour les FinFETs)ou de cylindres verticaux (pour les trous de contact, c'est ce cas qui nous intéressera), le polystyrène-bpolyméthylmétacrylate(PS-b-PMMA) est un des copolymères à blocs les plus étudiés dans la littérature,et dont la gravure présente de nombreux défis dûs à la similarité chimique des deux blocs PS et PMMA.Proposer une solution à ces défis est l'objet de cette thèse.Dans notre cas où le PS est majoritaire, le principe est d'obtenir par auto-organisation des cylindresverticaux de PMMA dans un masque de PS. Le PMMA est ensuite retiré par solvant ou par plasma,les motifs ainsi révélés dans le PS peuvent être alors transférés en utilisant ce dernier comme masque degravure. Une couche de copolymères statistiques PS-r-PMMA neutralise les affinités du PS/PMMA avecle substrat et permet l'auto-organisation.Un des problèmes majeurs est le contrôle des dimensions ; traditionnellement, le PMMA est retiré paracide acétique et le PS-r-PMMA gravé par plasma d'Ar/O2 qui aggrandit le diamètre des trous (CD)en consommant lattéralement trop de PS. Des temps de recuit acceptables pour l'Industrie donnent ausommet du masque de PS une forme de champignon induisant une dispersion importante des diamètresmesurés (~4-5 nm).Nos travaux montrent que la dispersion de CD peut être corrigée par plasma en facettant le sommetdes motifs. Dans un premier temps, un procédé de retrait du PMMA par plasma continu de H2N2 a étédéveloppé afin de s'affranchir des problèmes induits par l'acide acétique et les plasmas à base d'O2. Cecia permis de révéler des défauts d'organisation non rapportés dans la littérature à notre connaissance : desfilms de PS de quelques nanomètres peuvent aléatoirement se trouver dans le domaine du PMMA et ainsibloquer la gravure de certains cylindres. Afin de graver ces défauts sans perdre le contrôle des dimensions,un procédé composé d'un bain d'acide acétique et d'un plasma synchronisé pulsé de H2N2 à faible rapportde cycle et à forte énergie de bombardement a été mis au point. Il permet de retirer le PMMA, facetterle sommet du PS (ce qui réduit la dispersion de CD à moins de 2 nm), graver les défauts et la couche deneutralisation tout en limitant l'agrandissement des trous à moins d'un nanomètre. La dernière difficultévient des dimensions agressives et du rapport d'aspect important des trous de contact gravés. Afin delimiter la gravure latérale et la consommation des masques, des couches de passivation sont déposées surles flancs des motifs pendant la gravure mais à des échelles inférieures à 15 nm, ces couches de quelquesnanomètres sont trop épaisses et nuisent au contrôle des dimensions. Les plasmas doivent être alors moinspolymérisants et la création d'oxydes sur les flancs par ajout d'O2 doit être évitée.Enfin, les techniques de détermination des dimensions à partir d'images SEM ne sont plus assezrobustes à ces échelles. Afin d'en améliorer la robustesse, des algorithmes de reconstruction d'image etd'anti-aliasing ont été implémentés.
Author: Moritz Haass
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Du fait de la réduction des dimensions en microélectronique, les procédés de gravure par plasmas ne peuvent plus satisfaire aux exigences de l'industrie. De nouvelles stratégies sont en cours de développement. Ce travail consiste en l'étude de plasmas pulsés de HBr/O2 comme une alternative pour la gravure du silicium. Divers diagnostics dans un réacteur industriel 300 mm sont utilisés pour caractériser le plasma tandis que la gravure du silicium est étudiée par XPS et par microscopie électronique. Lorsque le plasma est pulsé à faible rapport cyclique, sa température et sa dissociation sont fortement réduits. Le flux de Br radicalaire par rapport à la période ON du plasma augmente tandis que l'influence du radical O diminue, ce qui conduit à une amélioration de la sélectivité par rapport au SiO2 et à une gravure plus homogène. Les profils des structures gravées peuvent être contrôlés par la formation de la couche de passivation sur les flancs dépendant également du rapport cyclique.
Author: Anne Le Gouil
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La diminution des dimensions des transistors MOS, qui permet d'augmenter leur densité sur une puce, induit des effets parasites qui perturbent fortement le fonctionnement des dispositifs. Le silicium et son oxyde jusqu'alors utilisés pour le module de grille des transistors sont remis en question au profit de nouveaux matériaux: des métaux pour la grille, et des matériaux à forte permittivité diélectrique pour le diélectrique de grille. Ce travail porte sur l'élaboration par gravure plasma d'une grille métallique polysilicium/TiN/Hf02 en vue d'une intégration pour les noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. L'analyse des plasmas de gravure halogénés et des surfaces gravées par spectrométrie de masse, spectrométrie de photoélectrons X (XPS) et par des techniques de caractérisation morphologique (MEB, TEM, AFM) a permis de dégager les principaux mécanismes de gravure de TiN. Les stratégies de procédé de gravure de l'empilement de la grille et l'impact des procédés plasma sur l'intégrité des matériaux ont ensuite été discutés. La gravure de TiN en plasma HBr est sélective vis à vis de la couche d'arrêt Hf02 mais elle génère de la pente dans les profils gravés, alors que le plasma de C12, plus réactif, conduit à une gravure latérale de la grille et induit des phénomènes de micro masquage. Cela impose un mélange HBr/CI2 et une gravure a faible énergie de bombardement ionique pour la gravure sélective du métal. La stratégie de gravure du silicium de la grille a du être repensée car l'intégration d'une couche métallique entre le silicium et le diélectrique de la grille modifie la distribution des charges statiques à la surface de la couche d'arrêt, ce qui perturbe le contrôle dimensionnel des profils gravés. De plus la gravure de TiN doit être anisotrope et sélective vis-à-vis de Hf02 tout en respectant l'intégrité de la partie supérieure de la grille en silicium. Ce travail montre que pour éviter la formation d'une encoche latérale à l'interface silicium/métal pendant la gravure du TiN il est nécessaire de contrôler à la fois les couches de passivation qui protègent les flancs du silicium et la composition chimique des dépôts qui recouvrent les parois du réacteur (car cette dernière influence les taux de recombinaison et donc les densités des atomes de CI et de Br dans le plasma). Il est donc important de contrôler les étapes de conditionnement et de nettoyage des réacteurs de gravure.
Author: Anne Le Gouil
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Pages : 188
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Book Description
La diminution des dimensions des transistors MOS, qui permet d'augmenter leur densité sur une puce, induit des effets parasites qui perturbent fortement le fonctionnement des dispositifs. Le silicium et son oxyde jusqu'alors utilisés pour le module de grille des transistors sont remis en question au profit de nouveaux matériaux: des métaux pour la grille, et des matériaux à forte permittivité diélectrique pour le diélectrique de grille. Ce travail porte sur l'élaboration par gravure plasma d'une grille métallique polysilicium/TiN/Hf02 en vue d'une intégration pour les noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. L'analyse des plasmas de gravure halogénés et des surfaces gravées par spectrométrie de masse, spectrométrie de photoélectrons X (XPS) et par des techniques de caractérisation morphologique (MEB, TEM, AFM) a permis de dégager les principaux mécanismes de gravure de TiN. Les stratégies de procédé de gravure de l'empilement de la grille et l'impact des procédés plasma sur l'intégrité des matériaux ont ensuite été discutés. La gravure de TiN en plasma HBr est sélective vis à vis de la couche d'arrêt Hf02 mais elle génère de la pente dans les profils gravés, alors que le plasma de C12, plus réactif, conduit à une gravure latérale de la grille et induit des phénomènes de micro masquage. Cela impose un mélange HBr/CI2 et une gravure a faible énergie de bombardement ionique pour la gravure sélective du métal. La stratégie de gravure du silicium de la grille a du être repensée car l'intégration d'une couche métallique entre le silicium et le diélectrique de la grille modifie la distribution des charges statiques à la surface de la couche d'arrêt, ce qui perturbe le contrôle dimensionnel des profils gravés. De plus la gravure de TiN doit être anisotrope et sélective vis-à-vis de Hf02 tout en respectant l'intégrité de la partie supérieure de la grille en silicium. Ce travail montre que pour éviter la formation d'une encoche latérale à l'interface silicium/métal pendant la gravure du TiN il est nécessaire de contrôler à la fois les couches de passivation qui protègent les flancs du silicium et la composition chimique des dépôts qui recouvrent les parois du réacteur (car cette dernière influence les taux de recombinaison et donc les densités des atomes de CI et de Br dans le plasma). Il est donc important de contrôler les étapes de conditionnement et de nettoyage des réacteurs de gravure.
Author: Maxence Mounier
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Pages : 87
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