Nouvelle technologie utilisant les plasmas H2 et He pour contrôler la gravure de couches ultraminces à l’échelle nanométrique

par Jérôme Dubois

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Gilles Cunge et de Nicolas Possémé.

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Gilles Cartry.

Les rapporteurs étaient Richard Clergereaux, Laïfa Boufendi.


  • Résumé

    Pour la réalisation des transistors FDSOI 22 nm et 3D FinFET 10 nm, la gravure de couches ultraminces de quelques nanomètres d’épaisseur doit être réalisée sans endommagement de la couche sous-jacente et n’est plus envisageable avec les procédés reposant sur les plasmas continus à haute densité. Une nouvelle technologie de gravure est étudiée dans cette thèse : elle consiste à modifier la surface d’un matériau sous l’action d’un plasma et à retirer par voie chimique le matériau modifié sélectivement par rapport au matériau non modifié. Nous nous focalisons ici sur la compréhension de la modification du matériau SiN induite par les plasmas de H2 et He, suivie d’une gravure chimique réalisée en solution de HF. Tout d’abord, un dépôt de conditionnement est développé pour prévenir la contamination du substrat et la dégradation des parois. Des diagnostics en plasmas de H2 et He sont ensuite réalisés pour déterminer la nature des ions, leurs flux et leurs énergies. Après exposition du SiN au plasma d’hélium, les caractérisations de surface (FTIR, SIMS) indiquent premièrement que la composition chimique du SiN est inchangée. De plus, la bonne corrélation entre les vitesses de gravure en HF avec les simulations de l’implantation des ions sous SRIM permet de conclure que l’augmentation de la vitesse de gravure est due aux dégâts induits par les ions dans le matériau. Après exposition au plasma d’hydrogène, la vitesse de gravure du SiN en HF dépend essentiellement de la concentration en hydrogène dans le matériau. Une synergie a lieu entre les radicaux H du plasma et le bombardement ionique : les ions créent des liaisons pendantes qui sont indispensables à la formation de liaisons Si-H et N-H par les radicaux. En outre, nous montrons que le temps de plasma de H2 et la dose d’ions ont une importance capitale dans la formation de la couche modifiée qui n’atteint parfois un état stationnaire qu’au bout d’un temps relativement long.

  • Titre traduit

    New technology based on H2 and He plasmas to control etching of ultrathin layers at a nanometer scale


  • Résumé

    To fabricate 22 nm FDSOI and 10 nm 3D FinFET transistors, ultrathin layers of several nanometers thickness must be etched without damaging the under layer, which can no longer be managed using processes based on high density continuous plasmas. To meet those new challenges, we study in this thesis a new etching technology where the surface of the material is modified under plasma exposure and then removed chemically selectively with respect to the non modified material. We focus here on the understanding of the modification of the SiN material induced by H2 and He plasmas, followed by a chemical etching in HF aqueous solution. First, a protective coating is developed to prevent the contamination of the substrate and the degradation of the wall. Diagnostics in H2 and He plasmas were then carried out to determine the nature of the ions, their fluxes and their energies. After He plasma exposure of the SiN, surface characterizations (FTIR, SIMS) first show that the SiN chemical composition is unchanged. Moreover, the good correlation between the etch rates in HF and the ion implantation profiles calculated by SRIM allows to conclude the increase of the etch rate is due to the ion-induced damages on the material. After H2 plasma exposure, the etch rate of SiN in HF mainly depends on the hydrogen concentration of the film. A synergetic effect occurs between H radicals and the ionic bombardment: the ions induce dangling bonds which are unavoidable to form Si-H and N-H bonds with the radicals. In addition, we show the plasma exposure time and the ion dose play a key role in the formation of the modified layer who sometimes only reaches a steady state after a relatively long time.


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