Développement d'un procédé innovant pour le remplissage des tranchées d'isolation entre transistors des technologies CMOS avancées

par Aurélien Tavernier

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Thierry Chevolleau.

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Werner Boullart.

Les rapporteurs étaient Christophe Cardinaud, Laurent Thomas.


  • Résumé

    Réalisées au début du processus de fabrication des circuits intégrés, les tranchées d'isolation permettent d'éviter les fuites de courant latérales qui pourraient avoir lieu entre les transistors. Les tranchées sont remplies par un film d'oxyde de silicium réalisé par des procédés de dépôt chimiques en phase vapeur (aussi appelés CVD). Le remplissage des tranchées est couramment réalisé par un procédé CVD à pression sub-atmosphérique (SACVD TEOS/O3). Cependant, la capacité de remplissage de ce procédé pour les nœuds technologiques CMOS 28 nm et inférieurs est dégradée à cause de profils trop verticaux dans les tranchées. Cela induit la formation de cavités dans l'oxyde et entraine des courts-circuits. Afin de pallier ce problème, une nouvelle stratégie de remplissage en trois étapes est proposée pour la technologie CMOS 14 nm. Dans la première étape, un film mince d'oxyde est déposé dans les tranchées. Puis, dans la deuxième étape, les flancs du film sont gravés à l'aide d'un procédé de gravure innovant, basé sur un plasma délocalisé de NF3/NH3, permettant de créer une pente favorable au remplissage final réalisé au cours de la troisième étape. Le développement de cette nouvelle stratégie de remplissage s'est déroulé selon plusieurs axes. Tout d'abord, le procédé de dépôt a été caractérisé afin de sélectionner les conditions optimales pour la première étape de la stratégie. Puis, le procédé de gravure innovant a été caractérisé en détail. L'influence des paramètres de gravure a été étudiée sur pleine plaque et sur plaques avec motifs afin de comprendre les mécanismes de gravure et de changement de pente dans les tranchées. Enfin, dans un troisième temps, la stratégie de remplissage a été développée et intégrée pour la technologie CMOS 14 nm. Nous montrons ainsi qu'il est possible de contrôler le changement de pente avec les conditions de gravure et que cette stratégie permet un remplissage des tranchées d'isolation sans cavités.

  • Titre traduit

    Developpement of an innovative process for shallow trench isolation gap-filling of advanced CMOS technology nodes


  • Résumé

    Achieved at the beginning of the integrated circuits manufacturing, shallow trench isolation permits to electrically isolate transistors from each other's to avoid current leakage. Trenches are filled with silicon dioxide film deposited by chemical vapor deposition (also called CVD). Trenches gap-filling is usually performed by TEOS/O3 Sub-Atmospheric Chemical Vapor Deposition (TEOS/O3 SACVD). However, trenches gap-filling with SACVD process reveals some limitations for advanced technology nodes (mainly 28 nm & 14 nm) due to quasi-vertical trenches profile and slope sensitivity of SACVD, which can lead to voids formation in gap-filling oxide and consequently to electrical isolation failure. To solve this issue, a new three steps gap-fill strategy is proposed for the CMOS 14 nm technology node. During the first step, a thin oxide liner is deposited into trenches. Then, in the second step, film sidewalls are etched with an innovative process, based on downstream plasma of NF3/NH3, to create tapered profile favorable for final SACVD gap-fill achieved in the third step. The development of this strategy has followed three work leads. First, the deposition process has been characterized to select best conditions for the first step. Then, the innovative etching process has been widely characterized. The influence of etching parameters has been studied on blanket and patterned wafers to understand etching mechanisms and slope modification. Finally, the gap-fill strategy has been developed and integrated for the CMOS 14 nm technology node. We demonstrate that it is possible to control the slope modification by tuning etching conditions and that strategy allows a void-free trenches filling.


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