Multi-scale simulation of deep silicon etching under Bosch process

Simulation multi-échelle de la gravure profonde du silicium par procédé Bosch

• Auteur / Autrice : Amand Pateau
• Direction : Ahmed Rhallabi, Mohamed Boufnichel, Fabrice Roqueta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, Plasmas froids
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Anne Talneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Rhallabi, Mohamed Boufnichel, Fabrice Roqueta, Anne Talneau, Alain Dollet, Mohammed Yousfi, Christophe Cardinaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Dollet, Mohammed Yousfi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravure par plasma

Plasmas froids

Mots clés libres

Gravure profonde

Silicium

Simulation

Résumé

Cette étude porte sur le développement d’une approche multi-échelle pour la simulation de la gravure profonde du silicium par procédé Bosch. Ce travail a été effectué dans le cadre d’un contrat CIFRE entre l’Institut des Matériaux Jean Rouxel et STMicroelectronics Tours. Cette approche multi-échelle est composée de trois modules permettant d’étudier l’évolution spatio-temporelle du profil gravé. Le premier module comporte le modèle cinétique de la décharge plasma. Il permet le calcul des densités et flux d’espèces prises en compte dans le schéma réactionnel. Ce modèle a été appliqué séparément aux mélanges SF6/O2/Ar et C4F8. Le deuxième module basé sur la technique Monte-Carlo permet le calcul des fonctions de distribution angulaires et énergétiques des ions traversant la gaine. Les différents flux d’espèces chimiquement actives et les fonctions de distribution calculés par ces deux modules sont ensuite injectés, comme paramètres d’entrée, dans le module de gravure. Ce dernier est basé sur une approche Monte-Carlo cellulaire qui permet de décrire l’évolution spatio-temporelle des profils gravés, leur composition chimique à la surface ainsi que la vitesse de gravure. Une telle approche est bien adaptée à la prédiction des profils de gravure profonde du silicium sous un procédé Bosch en fonction des paramètres " machine ". L’influence des paramètres " machine " sur le comportement cinétique du plasma, la dynamique de la gaine et l’évolution des profils a été étudiée. Les comparaisons des résultats issus du modèle cinétique et ceux de l’expérience montrent un accord satisfaisant. D’autre part, les profils simulés sont prometteurs avant la calibration du modèle de gravure.

This thesis is dedicated to the development of a multi-scale approach for the simulation of the deep silicon etching under Bosch process. The project has been done under CIFRE contract between the Institut des Matériaux Jean Rouxel and STMicroelectronics Tours. This multi-scale approach is composed of three modules allowing the study of the time and space evolution of the etched silicon profile. The first module is a plasma kinetic model. It calculates the densities and fluxes of the species taken into account in the reaction scheme. This model is applied to the SF6/O2/Ar and C4F8 plasma mixtures. The second module is based on the Monte-Carlo technique and allows the calculation of the energy and angular distribution functions of positive ions through the sheath. The fluxes of the chemically reactive species and the ion distributions calculated by those two modules are then injected as input parameters in the etching module. The latter is based on a cellular Monte-Carlo approach allowing the description of the time and space evolution of the etched profiles, their chemical composition along the surface and the etching rate. Such techniques are used to predict the etched profile evolution under Bosch process as a function of machine parameters. The influence of the machine parameters on the plasma kinetic, sheath dynamic and profile evolution has been studied. Good agreements between the simulations from the kinetic model and the experiment have been shown. On the other side, The simulated profiles are promising before the model calibration.