Development of new etching technologies highlight the stochasticity of the ion bombardment during industrial plasma processes

La course à la miniaturisation des dispositifs oblige les industriels a développé sans cesse de nouvelles technologies de gravure afin de contourner les limites imposées par les procédés plasmas continus CW à haute densité. Parmi ces nouvelles technologies on trouve, les plasmas pulsés en impulsion courtes introduits depuis une dizaine d’année et le procédé de gravure cyclée développé très récemment par Applied Materials. Ces deux types de procédés de gravure présentent la caractéristique d’avoir un faible flux d’ions. Au premier abord, cette faible densité d’ions énergétiques permet la diminution des défauts induits par les ions. Cependant, un problème se pose lorsque le nombre d’ions impactant la surface devient trop faible (moins de 1 ions/site atomique/s). Ce travail de thèse se concentre donc ici sur l’étude de l’impact de la stochasticité du bombardement ionique sur l’état de la surface dans les deux procédés de gravure utilisés. Dans un premier temps, nous avons focalisé notre travail sur l’interaction entre les plasmas pulsés de chlore puis d’HBr et le silicium. A faible rapport de cycle, une très forte rugosité de surface a été observée sans lien avec un phénomène de micro-masquage. Des diagnostics plasma ont révélés que la présence d’un très faible flux d’ions énergétique couplé avec forte réactivité chimique engendre une forte augmentation du taux de gravure créant ainsi la rugosité de surface. Dans un second temps, l’étude du plasma capacitif d’hydrogène utilisé pour la modification du SiN durant le procédé de gravure cyclée a montré après retrait de la couche modifiée en plasma délocalisé, la présence d’une rugosité de surface au sommet des espaceurs nitrure qui n’est pas acceptable pour l’application du « simplified quadruple patterning ». Une étude paramétrique de l’état de surface a permis de mettre en évidence l’impact direct de la faible quantité d’ions H+ reçue par le matériau et la rugosité observée. La stochasticité du bombardement ionique implique donc une modification inhomogène du SiN qui est révélée lors de la phase de retrait et amplifiée au cours des cycles générant une rugosité de surface.Mots-clés : Microélectronique, procédés de gravure, plasma, stochasticité, ions.The microelectronics industry is more and more challenged by the miniaturization of devices thus constantly constrained to develop new plasma etching technologies and to overcome limits imposed by CW plasma processes. Among, these new technologies, there are pulsed plasmas and the cycled etching process developed by Applied Materials. A characteristic of these processes is to work with very low flux of ions. However, a problem arises when the number of ions impacting the surface becomes too small (less than 1 ion/atomic site/second). Thus this work focuses on the study of the impact of the stochasticity of ion bombardment on the surface state in two etching processes. In a first part of our work, we studied the interaction between pulsed plasmas of chlorine and silicon. Similarly the effect of pulsed plasmas of HBr was also investigated. At a low duty cycle, a very high surface roughness was observed, unrelated to a micro-masking phenomenon. Under these experimental conditions, plasma diagnostics were carried out to measure the flux of energetic ions and the flux of neutrals. In this way, we highlighted that a very low flux of energetic ions and a high ratio neutrals/ions lead to high chemical reactivity. It results in the creation of a strong surface roughness. In a second part of our work, we studied the modification of SiN layers during the cyclic etching process using capacitive hydrogen plasma. After removal of the modified layer in remote plasma, we brought out the presence of a surface roughness at the top of the nitride spacer. Our parametric study of the surface state highlighted the correlation between the low fluence of hydrogen ions received by the material and the surface roughness. Thus, the stochasticity of ion bombardment implies an inhomogeneous modification of the SiN which is revealed by the remote plasma and amplified during the cycles. In this situation, an important surface roughness is generated. These results are consistent with simulation study in molecular dynamics. Therefore we demonstrated that the number of ions impacting on the surface (ion stochastic effect) appears as being a very limiting parameter in the pulsed plasma processes as well in some CCP processes.Key words: Microelectronics, etching processes, plasma, stochasticity, ions