Towards a nanometric precision etching in reactive plasmas : molecular dynamics simulations of Si-Cl interactions
Vers une gravure plasma de précision nanométrique : simulations de dynamique moléculaire en chimie Si-Cl
Résumé
This thesis focuses on technological challenges associated with the etching of ultrathin materials used for new generations of transistors (FDSOI, FinFET) in advanced nanoelectronics devices. These transistors must be etched with a nanometric precision in order to preserve the electronic properties of active layers. To reach such a precision, plasma-induced damage and reactive layers thicknesses formed during the etch must remain below 1nm, a challenge which cannot be addressed by continuous-waves ICP plasmas. To assist the development of new etching processes, molecular dynamics simulations have been developed to study the influence of new plasma technologies (pulsed plasmas, low-Te plasmas, gaz pulsing) on interactions between silicon and chlorine plasmas. Simulations show that the key parameter to control the etching of ultrathin Si layers is the ion energy (Eion), which lowers both the SiClx damaged layer thickness and the etch rate when it is decreased. The neutral-to-ion flux ratio (Γ) is the second key parameter: its increase strongly reduces the reactive layer thickness while the etch rate grows. Quantitatively, this study shows that plasmas with low ion energies (< 15 eV) and high Γ ratios (⩾ 1000) allow to obtain sub-nanometer thick reactive layers (cf. low-Te or synchronized pulsed plasmas). In « pulsed bias » mode, simulations show that for a given Vbias value, pulsing the bias decreases both the reactive layer thickness and the etch rate. This effect is stronger at low duty cycle DC, which can improve the control of the etching process. To control the etching of ultrathin films, another solution may be to control dynamically the reactive layers formation. Inspired from ALE (Atomic Layer Etching) principle, this new concept consists in pulsing quickly and alternatively several gases to divide the etching process into repetitive cycles of two distinct plasma steps. The first step aims to limit the mixed layer formation at 1nm in a reactive (Cl2) plasma by optimizing the gas injection time; the 2nd step aims to remove the so-formed layer in a noble gas plasma (Ar, Xe) without damaging the material below. Our simulations confirm the feasibility and the repeatability of such a concept.
Ce travail de thèse aborde le problème de la gravure de matériaux ultraminces pour la réalisation de nouvelles générations de transistors (FDSOI, FinFET) dans les dispositifs nanoélectroniques avancés. Ces transistors doivent être gravés avec une précision nanométrique pour ne pas endommager les propriétés électroniques des couches actives. Afin d'atteindre une telle précision, les dommages surfaciques et l'épaisseur des couches réactives formées lors de l'exposition plasma doivent être maintenus en-deçà du nanomètre, véritable défi auquel les plasmas ICP continus ne sont plus à même de répondre. Pour assister le développement de nouveaux procédés de gravure, des simulations de dynamique moléculaire ont été développées afin étudier l'influence de nouvelles technologies plasma (plasmas pulsés, plasma basse Te, gaz pulsés) sur les interactions entre silicium et plasmas chlorés. Les simulations montrent que l'énergie ionique (Eion) est le paramètre numéro un pour contrôler la gravure de couches de Si ultraminces, une diminution de l'énergie réduisant à la fois l'épaisseur de couche endommagée SiClx et le taux de gravure. Le rapport du flux de neutres sur flux d'ions (Γ) est le 2nd paramètre clé : son augmentation entraîne une diminution sensible l'épaisseur de couche perturbée tout en augmentant le taux de gravure. Quantitativement, cette étude montre que des plasmas caractérisés par de faibles énergies ioniques (< 15 eV) ou des rapports Γ importants (⩾ 1000) permettre d'obtenir des couches réactives d'épaisseur sub-nanométrique (cf. plasmas basse Te ou synchronisés pulsés). En mode "bias pulsé", les simulations montrent que pour une valeur Vbias donnée, pulser le bias permet de diminuer à la fois l'épaisseur de couche réactive et le taux de gravure. Cet effet est d'autant plus marqué que le rapport de cycle DC est faible, ce qui élargit la fenêtre des paramètres opératoires. Pour contrôler la gravure, une autre solution pourrait consister à contrôler l'épaisseur des couches réactives de manière dynamique. Inspiré de l'ALE (Atomic Layer Etching), ce nouveau concept consiste à pulser rapidement et alternativement différents gaz pour décomposer le procédé de gravure en cycles répétitifs de deux étapes plasma distinctes. La 1ère étape vise à limiter la formation de la couche mixte à 1nm d'épaisseur dans un plasma réactif (Cl2) en optimisant le temps d'injection du gaz; la 2nde étape vise à graver la couche ainsi formée dans un plasma de gaz rare (Ar, Xe) sans endommager le matériau sous-jacent. Nos simulations confirment la faisabilité et la répétabilité d'un tel concept.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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