Development and characterization of plasma etching processes for the dimensional control and LWR issues during High-k Metal gate stack patterning for 14FDSOI technologies

par Onintza Ros Bengoetxea

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Erwine Pargon et de Pascal Gouraud.

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Erwine Pargon, Pascal Gouraud, Sophie Bouchoule.

Les rapporteurs étaient Christophe Cardinaud, Rémi Dussart.

  • Titre traduit

    Développement et caractérisation des procédés de gravure plasma impliqués dans la réalisation de grille métallique de transistor pour les technologies FDSOI 14nm : contrôle dimensionnel et rugosité de bord


  • Résumé

    Dans le procédé d'élaboration d'un transistor, la définition des motifs de grilles est une des étapes les plus dures à contrôler. Avec la miniaturisation des dispositifs, les spécifications définies pour la structuration des transistors se sont resserrées jusqu'à l'échelle du nanomètre. Ainsi, le Contrôle Dimensionnel(CD) et la rugosité de bord des lignes (LWR) sont devenus les paramètres les plus importantes à contrôler. Précédemment, pour atteindre les objectifs définis pour les précédentes technologies CMOS, des traitements post-lithographiques tels que les traitements plasma à base d’HBr ont été introduits pour améliorer la résistance des résines aux plasmas de gravure et minimiser la rugosité des motifs de résine avant leur transfert dans l’empilement de grille. Cependant, ces méthodes conventionnelles ne sont plus satisfaisantes pour atteindre les spécifications des nœuds avancés 14FDSOI, qui font intervenir des schémas complexes d’intégration de motifs. Dans ces travaux, les limitations des traitements plasma HBr pour réaliser des motifs de grille bidimensionnels comme définis par les règles de dessin ont été mises en évidence. . En effet, il s’avère que les traitements par plasma HBr sont responsables d'un déplacement local du motif de grille, qui entraine sur le produit final une perte de rendement. Des résultats préliminaires montrent que le retrait de cette étape de traitement améliore le phénomène de décalage des grilles, au détriment de la rugosité des motifs de résines. En effet, les résines non traités par plasma subissent d’importantes contraintes lors de l’ étape de gravure SiARC en plasma fluorocarbonnés, ce qui génère une nette augmentation de la rugosité de la résine qui se transfère par la suite dans les couches actives du dispositif. Dans cette thèse, j’ai étudié les mécanismes de dégradation des résines dans des plasmas fluorocarbonés. Cette compréhension a abouti au développement d’une nouvelle chimie de gravure plasma de la couche de SiARC qui limite la dégradation des résines. De plus, j’ai évalué comment le procédé complet de gravure de grille métallique peut être amélioré pour éliminer la rugosité et la déformation des motifs en travaillant sur chacune des étapes impliquées. Le but de cette étude est d’identifier les étapes de gravure ayant un rôle dans la rugosité finale de la grille. Mes travaux montrent que l'ajout des étapes de nitruration limite la dégradation du profil de grille et de la rugosité des flancs. Au contraire, la microstructure du film de TiN ainsi que les procédés de gravure de grille métal n'ont pas d'impact sur la rugosité finale du dispositif. Le transfert du motif de grille lors des étapes de gravure du masque dur reste toujours le principal contributeur de la rugosité finale de grille.


  • Résumé

    In a transistor manufacturing process, patterning is one of the hardest stages to control. Along with downscaling, the specifications for a transistor manufacturing have tightened up to the nanometer scale. Extreme metrology and process control are required and Critical Dimension Uniformity (CDU) and Line Width Roughness (LWR) have become two of the most important parameters to control.So far, to meet the requirements of the latest CMOS technologies, post-lithography treatments such as plasma cure treatments have been introduced to increase photo-resist stability and to improve LWR prior to pattern transfer. However, conventional post-lithography treatments are no more efficient to address the specifications of14nm gate patterning where more complicated designs are involved.In this work, we have studied limitations of cure pretreatments in 2D gate integrations. In fact, the HBr plasma post-lithography treatment was identified as being responsible of a local pattern shifting that result in a loss of the device’s electrical performance. Preliminary results show that, cure step removal helps to control pattern shifting but to the detriment of the LWR. Indeed, if no cure treatment is introduced in the gate patterning process flow, photoresist patterns undergo severe stress during the subsequent Si-ARC plasma etching in fluorocarbon based plasmas. In this work, the mechanisms that drive such resist degradation in fluorocarbon plasmas have been studied and improved SiARC etch process condition shave been proposed. Besides, we evaluate how the state-of-art gate etch process can be improved, by investigating the impact of each plasma etching step involved in the high-K metal gate patterning on both LWR and gate shifting. The goal of this study is to determine if the TiN metal gate roughness can be modified by changing the gate etch process conditions. Our research reveals that addition of N2 flash steps prevents from gate profile degradation and sidewall roughening. In revenge, the TiN microstructure as well as the HKMG etch process has no impact on the gate final roughness. The hard mask patterning process remains the main contributor for gate roughening.


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