Etude des mécanismes de gravure des grilles polysilicium en plasma haute densité pour les technologies CMOS submicroniques : caractérisation des défauts électriques induits sur structures MOS

= Investigation of polysilicon gate etching mechanisms high density plasmas for deep submicron CMOS technologies : characterization of plasma-induced damage in MOS structures

• Auteur / Autrice : Christophe Vérove
• Direction : Bernard Balland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositif de l'électronique intégrée
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Balland, Olivier Pierre Etienne Joubert, Pierre Pinard, Nader Sadeghi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nader Sadeghi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bombardement ionique

Silicium cristallisé

MOS (électronique)

Résumé

Ce travail porte sur l'étude de la gravure des grilles en polysilicium de structures MOS largement submicroniques dans les plasmas réactifs haute densité. Dans une première partie sont étudiés les mécanismes de gravure du polysilicium par des plasmas de HBr et Cl2, générés dans un réacteur Helicon. Nous montrons que le modèle de gravure de Mayer et Barker (1982) relie de façon tout-à fait satisfaisante les flux d'ions et de neutres à la vitesse de gravure, dans une large gamme de pression et de densité ionique, et les résultats expérimentaux mettent clairement en évidence la synergie ion/neutre dans la cinétique de gravure. Ensuite, nous proposons une étude des mécanismes à l'origine de la forte sélectivité vis-à-vis de l'oxyde mince d'arrêt (6. 0 nm), en même temps que de l'excellente anisotropie de gravure, du fait de l'addition de faibles quantités d'02 dans le plasma. Cette étude débouche sur la mise au point d'un procédé de gravure de grille polysilicium pour la technologie CMOS 0,25 μm en plasma HBr/Cl2/O2. Dans une seconde partie, l'accent est mis sur l'évaluation des défauts électriques introduits par les procédés de gravure grille dans des structures MOS. En particulier, il est montré que la contamination métallique générée par certains réacteurs de gravure dans l'oxyde d'arrêt provoque la dégradation de la durée de vie des porteurs minoritaires du silicium sous-jacent, et qu'une charge d'oxyde positive est créée en bord de grille par le bombardement ionique. L'analyse de la dégradation de l'oxyde de grille par effet d'antenne ("charging") indique un net avantage pour le réacteur Helicon, que nous attribuons (1) à la faible pression de travail et (2) à la faible température électronique au niveau de la plaque, et qui rend les plasmas haute densité de type Helicon attractifs pour l'élaboration des technologies largement submicroniques

A study of deep-submicron polysilicon gate etching in high density reactive plasmas is reported. In the first section, the polysilicon etching mechanisms are investigated with HBr and Cl2 plasmas generated in a Helicon reactor. It is shown that the polysilicon etch rate is a function of both the ion and neutral fluxes to the substrate, and is described by the etch model of Mayer and Barker (1982) over a wide pressure and ion density range. The experimental results clearly highlight the importance of the ion/neutral synergy for the polysilicon etch rate. The mechanisms are investigated leading to a high selectivity to the 6. 0 nm thin oxide stopping layer as well as a good etching anisotropy, due to the addition of a low 02 flow to the plasma. This study leads to the optimization of a polysiliçon gate etching process for a 0. 25 μm CMOS technology in a HBr/Cl2/02 plasma. The second section focuses on a characterisation of the plasma-gate-etching-induced damage in MOS structures. In particular, it is shown that metallic contamination may be introduced by plasma processing in the thin oxide stopping layer, and that it can even reach the underlying silicon substrate and damage the minority carrier lifetime. Also, our results indicate that a positive charge is generated in the. Thin gate oxide at the gate edge by the ion bombardment during the over etch step. The high density plasma generated by the Helicon reactor exhibits very law gate oxide charging damage compared to other industrial processes. This behavior is attributed to the law working pressure and the low electron temperature at the substrate, and makes the Helicon plasmas attractive for plasma processing of deep submicron' CMOS technologies.