Etude de la dégradation de la protection par des résines photosensibles de la grille métallique TiN lors de gravures humides pour la réalisation de transistors de technologies sub-28nm

par Mathieu Foucaud

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Erwine Pargon.

Le président du jury était Jean-Pierre Petit.

Le jury était composé de Maëlenn Aufray, Raluca Tiron.

Les rapporteurs étaient Philippe Barboux, Étienne Duguet.


  • Résumé

    La gravure chimique par voie humide des matériaux est toujours utilisée dans certaines étapes spécifiques des procédés de fabrication de transistors pour la microélectronique. Cette gravure est effectuée en présence de masques de résine photosensible, qui définissent les zones à protéger de l'attaque chimique. Une des difficultés rencontrées lors de cette étape technologique est la dégradation du masque en résine et de l'interface résine/matériau à graver, qui entraine un endommagement du matériau sous-jacent. L'objectif de cette thèse est d'étudier les dégradations occasionnées lors de la gravure humide par une solution chimique de type SC1 (NH4OH/H2O2/ H2O) de la grille métallique TiN / Al / TiN d'un transistor pMOS pour les nœuds technologiques 28nm et inférieurs. Dans notre étude, l'empilement protégeant la grille métallique est constitué d'une bicouche résine photosensible à 248nm / revêtement antireflectif développable (dit dBARC). Une première partie du travail a consisté à mener une étude phénoménologique des facteurs impactant l'adhésion des polymères sur le TiN, et a mis en évidence la forte influence de l'état de surface du film de TiN avant l'étape de lithographie, et notamment son vieillissement. Une seconde partie a consisté à étudier les différentes solutions permettant une amélioration de la tenue des polymères à la gravure SC1. Il a été montré que si aucun traitement de surface du TiN ne permettait d'améliorer cette adhésion, une augmentation de la température de recuit du dBARC permettait quant à elle d'accroitre le greffage du carbone sur la couche de TiN et donc la tenue à la gravure de tout l'empilement. Enfin, une troisième étude a permis de mettre en évidence l'endommagement de la surface de TiN par diffusion du SC1 dans l'empilement dBARC / résine, et de proposer un mécanisme expliquant ce phénomène. La réalisation d'un dispositif expérimental de mesure, innovant, basé sur la spectroscopie infrarouge en mode de réflexions internes multiples (MIR) a par ailleurs permis de caractériser cette diffusion des espèces chimiques dans l'empilement polymérique et d'étudier les facteurs l'impactant.

  • Titre traduit

    Study of the degradation of the protection by photoresists of the TiN metal gate during wet etchings, for the production of transistors in sub-28nm technologies


  • Résumé

    Materials wet etching is still used in some specific steps of the transistors manufacturing process in microelectronics. This etching is performed in the presence of photoresist masks that define the areas to be protected from the chemical etchants. One of the major problems encountered during this technology step is the degradation of both photoresist patterns and the photoresist / material interface, which leads to the underlying material's damaging. The goal of this thesis is to study these degradations, during the wet etching of the TiN / Al / TiN metal gate of a pMOS transistor using a SC1 chemical solution (NH4OH/H2O2/ H2O), for sub-28 nm technology nodes. In our study, the stack that protects the metal gate is a bilayer with a 248 nm photoresist and a developable anti-reflective coating (or dBARC). The first part of our work was to lead a phenomenology study of the various parameters impacting the polymers adhesion on TiN. It showed the strong influence of the TiN surface state before lithography, especially its ageing. In a second part, we studied various solutions to improve the polymers stack adhesion during the SC1 etching. No TiN surface treatment could enhance this adhesion, but we found that increasing the dBARC bake temperature lead to an increase of carbon grafting on TiN, which thus gave a better resistance of photoresist patterns to SC1 etching. Then in a third part, we highlighted the TiN surface damaging after SC1 diffusion through the resist bilayer and proposed a mechanism explaining this phenomenon. We also developed an innovative experimental device based on infrared spectroscopy in the Multiple Internal Reflections (MIR) mode to characterize the diffusion of chemical etchants in the polymers stack, and study the various parameters that may impact it.


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