Développement et caractérisation de procédés de gravure des espaceurs Si3N4 pour les technologies FDSOI

Development and characterization of Si3N4 spacers etch processes for FDSOI technologies

• Auteur / Autrice : Romuald Blanc
• Direction : Olivier Pierre Etienne Joubert, François Leverd
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 02/06/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble) - STMicroelectronics
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vallée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Pierre Etienne Joubert, François Leverd, Claudia Lazzaroni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Dussart, Christophe Cardinaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravure par plasma

Mots clés libres

Gravure

Espaceur

Plasma

Pulsé

Etching

Spacer

Plasma

Pulsed

Résumé

Dans les technologies CMOS sur substrat FDSOI, la consommation de silicium dans les zones sources/drains des transistors par les étapes successives de gravure est un paramètre critique. La gravure plasma des espaceurs de Si3N4, qui a lieu après la gravure de la grille, doit permettre la fabrication d'espaceurs au profil droit déterminant la longueur effective du canal sous la grille tout en minimisant la consommation de la couche mince de silicium sous-jacente. De plus, l'état de surface du silicium généré par la gravure des espaceurs ne doit pas entraver la croissance de silicium par épitaxie nécessaire à la fabrication des zones sources/drains surélevées.L'étude des procédés actuels de gravure des espaceurs basés sur des chimies CHxFy/O2 nous apprend que le silicium est consommé par oxydation lors de l'atterrissage du plasma sur le silicium. De plus, l'analyse XPS montre que du carbone est implanté par les ions du plasma dans le substrat de silicium, et celui-ci empêche la recroissance de silicium par épitaxie. Nous sommes en mesure de réduire cette concentration de carbone sans pour autant augmenter la consommation de silicium par l'utilisation de post-traitements plasmas non-oxydants à base d'hydrogène.Fort de cette analyse mettant en avant les limitations des procédés actuels, nous avons développé et caractérisé des procédés de gravure des espaceurs de Si3N4 utilisant des plasmas CH3F/O2/He pulsés synchronisés. La modulation en impulsions courtes avec de faibles rapports cycliques diminue la dose d'ions énergétique reçue par le substrat, ce qui permet de réduire l'épaisseur de silicium oxydé ainsi que la concentration de carbone implanté. L'ajout dans le plasma d'un gaz contenant du silicium, le SiCl4 ou le SiF4, entraine également une réduction de la consommation de silicium grâce au dépôt d'une couche SiOxFy par les radicaux de la phase gazeuse. Le meilleur résultat est obtenu avec un plasma CH3F/O2/He pulsé à 1kHz et 10% de rapport cyclique auquel sont ajoutés 5 ou 10 sccm de SiF4 : la consommation de silicium est alors quasi nulle.Une méthode de gravure alternative basée sur l'implantation d'ions He+ et H+ suivie d'une gravure humide dans une solution HF a également été développée et évaluée pour la gravure des espaceurs de Si3N4. Ce procédé de gravure novateur ne génère aucune consommation de silicium et présente des résultats très prometteurs.

In CMOS technologies on FDSOI substrate, the silicon recess in transistor's source/drain regions caused by multiple etch steps is a critical parameter. The plasma etching of Si3N4 spacers, which occurs after the gate etch step, must allow the fabrication of straight spacer profiles which will define the effective channel length under the gate, while minimizing the consumption of the underlying silicon thin film. Moreover, the silicon surface state generated by the spacers etching must not prevent the epitaxial silicon growth used for the realization of raised source/drain regions.The study of current spacers etch processes based on CHxFy/O2 chemistries shows that silicon is consummated by oxidation when the plasma lands on the silicon surface. Furthermore, the XPS analysis shows that carbon is implanted in the silicon substrate by plasma ions, and that it inhibits the silicon epitaxial regrowth. We are able to reduce the implanted carbon concentration without any additional silicon recess by using non-oxidizing plasma post-treatments based on hydrogen.After identifying the limitations of current etch processes, we developed and characterized Si3N4 spacers etch processes using synchronously pulsed CH3F/O2/He plasmas. The modulation in short pulses with low duty cycles decreases the dose of high energy ions bombarding the substrate, which allows to reduce the oxidized silicon thickness as well as the concentration of implanted carbon. The addition in the plasma of a Si-containing gas, SiCl4 or SiF4, also leads to a reduction of the silicon consumption thanks to the deposition of a SiOxFy layer by radicals from the gas phase. The best result is obtained with a CH3F/O2/He plasmas pulsed at 1 kHz and 10% duty cycle with the addition of 5 or 10 sccm of SiF4 : the silicon recess is then almost zero.We also developed and evaluated an alternative etching technique, based on the implantation of He+ and H+ ions followed by a HF wet etch, for the etching of Si3N4 spacers. This innovative etch process does not generate any silicon recess and shows some promising results.