Etude et optimisation du procédé STiGer de gravure profonde du silicium

Study and optimisation of STiGer process for deep silicon etching

• Auteur / Autrice : Laurianne Pichon-Balmadier
• Direction : Pierre Ranson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 11/03/2010
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés (Orléans ; 1996-2011)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Booth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Ranson, Jean-Paul Booth, Pierre-Yves Tessier, Laurent Vallier, Christophe Cardinaud, Rémi Dussart, LaÏfa Boufendi, Mohamed Boufnichel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Yves Tessier, Laurent Vallier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés -- Passivation

Gravure par plasma

Silicium

Cryotechnique

Microélectronique

Mots clés libres

Film SiOxFy

SiOxFy Film

Résumé

La gravure profonde du silicium est une étape de fabrication de microsystèmes et de composants demicroélectronique de puissance. Actuellement, deux procédés (Bosch et cryogénique) sont principalementemployés pour structurer le silicium à l'échelle micrométrique. Ce travail de thèse porte sur l'étudeet l'optimisation d'un procédé de gravure profonde du silicium, nommé STiGer. Celui-ci comporte desalternances entre plasmas de gravure et de passivation, à l'instar du procédé Bosch, ainsi qu'une chimieplasma proche du procédé cryogénique. La passivation s'effectue par le dépôt d'un film SiOxFy en plasmaSiF4/02, le substrat de silicium étant refroidi à une température cryogénique. Dans ce travail, unecaractérisation du film passivant a été effectuée de manière à permettre une optimisation plus efficace etplus rapide des procédés de gravure STiGer. La caractérisation du film SiOxFy déposé en chimie SiF4/02a été effectuée par FTIR ex situ, par ellipsométrie spectroscopique in situ ainsi que par des expériences,permettant de tester la résistance du film passivant à un plasma de gravure SF6. La croissance du filmSiOxFy est favorisée en présence de radicaux d'oxygène et SiFx, avec une température de substrat inférieureà -80°(. De plus, la résistance du film passivant à un plasma de gravure semble liée à son épaisseur. Le filmSiOxFy obtenu en plasma SF6/02 a été caractérisé par XPS in situ en collaboration avec l'IMN. Lors dela remontée en température du substrat, les composés contenant de l'oxygène désorbent vers -90°C, suivisd'une désorption de la molécule SiF4, issue d'une réorganisation des atomes sur la surface. Enfin le procédéSTiGer a été optimisé pour deux applications: la gravure de tranchées d'ouverture submicronique pourréaliser des condensateurs en 3D et le perçage de plaque de silicium pour l'interconnexion.

Silicon deep etching is part of microsystems and power microelectronic devices manufacture process.Nowadays, two main processes (Bosch and cryogenic) are used to pattern silicon at a micrometric scale.This work focuses on the study and the optimisation of a process for deep silicon etching, named STiGerprocess. The latter consist in alternating etching and passivation plasmas, as for the Bosch process. Italso comprise a cryogenic process like plasma chemistry, since a SiOxFy passivation film is deposited by aSiF4/02 plasma, the silicon substrate being cooled down to cryogenic temperatures. This work includesthe characterisation of the passivation film, in order to efficiently and rapidly develop STiGer etchingprocesses. The SiOxFy film deposited by SiF4/02 plasma has been characterized by in situ FTIR, by insitu spectroscopic ellipsometry as weil as by experiments, that allowed to evaluate the passivation filmresistance to a SF6 etching plasma. The SiOxFy film growth is enhanced by the presence of 0 and SiOFxradicals in the plasma, when the substrate temperature is less than -80°(. Moreover, the film resistanceto an etching plasma may be due to its thickness. The SiOxFy film grown by a SF6/02 plasma has beencharacterised by in situ XPS in collaboration with IMN. When the substrate is heated up to ambienttemperature, the oxygen containing components desorb first at a temperature of approximately -90°(.Secondly, the desorption of the SiF4 molecule is caused by a rearrangement of the atoms at the surface.Finally, STiGer process has been optimized for two applications: etching of submicronic trenches for 3Dcapacitance production and through wafer etching for interconnexion.