Étude et développement de procédés de gravure plasma pour l'élaboration des grilles métalliques pour les filières technologiques CMOS : Cas de l'empilement Si/TiN/HfO2

Thèse CIFRE réalisée en collaboration avec le LTM-CNRS, Grenoble, France et la société STMicroelectronics, Crolles, FranceAs the dimensions of CMOS transistors shrink, parasitic effects become more significant and theelectrical device properties are perturbated. Silicon and silicon oxide materials are no more suitable for the gate module, and it is expected that metals and high-k dielectric will replace them soon. This work focuses on plasma etching of metal gate polysilicon/TiN/HfO2 for their integration in 45 nmand 32 nm technology nodes.Halogen-based plasmas and plasma-surface interactions have been analyzed by mass spectrometry, Xray photoelectron spectroscopy and morphological characterization techniques (SEM, TEM, AFM). This allowed to understand the TiN etching mechanisms and to develop metal gate stack etchingprocesses.It is shown that TiN etching in HBr plasma is selective towards HfO2 but leads to tapered profiles, whereas TiN etching in Cl2 plasma is more isotropic and leads to roughness formation (due to micromasking) and thus selectivity issues. Hence anisotropic and selective etching of TiN must be achieved in HB/Cl2 mixture at low RF bias power.Furthermore when etching a polySi/metal gate stack, the silicon etching process must be rethought because the introduction of a metal layer modifies the charges distribution on etch stop layer, which results in damaged silicon etched profiles. In addition TiN etch process must respect the integrity of silicon gate sidewalls. This work shows that notching of silicon at the Si/TiN interface during TiN etching is an issue that can only be overcome by controlling the passivation layers formed on the silicon gate sidewalls and the reactor walls conditions. As a matter of fact, the chemical nature of the coatings formed on the reactor walls controls the density of Cl and Br atoms in the plasma and thus its notching capability. It is thus particularly important to control the reactor wall conditions for metal gate etching applications.La diminution des dimensions des transistors MOS, qui permet d'augmenter leur densité sur une puce, induit des effets parasites qui perturbent fortement le fonctionnement des dispositifs. Le silicium et son oxyde jusqu'alors utilisés pour le module de grille des transistors sont remis en question au profit de nouveaux matériaux : des métaux pour la grille, et des matériaux à forte permittivité diélectrique pour le diélectrique de grille.Ce travail porte sur l'élaboration par gravure plasma d'une grille métallique polysilicium/TiN/HfO2 en vue d'une intégration pour les noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. L'analyse des plasmas de gravure halogénés et des surfaces gravées par spectrométrie de masse, spectrométrie de photoélectrons X (XPS) et par des techniques de caractérisation morphologique (MEB, TEM, AFM) a permis de dégager les principaux mécanismes de gravure de TiN. Les stratégies de procédé de gravure de l'empilement de la grille et l'impact des procédés plasma sur l'intégrité des matériaux ont ensuite été discutés.La gravure de TiN en plasma HBr est sélective vis à vis de la couche d'arrêt HfO2 mais elle génère de la pente dans les profils gravés, alors que le plasma de Cl2, plus réactif, conduit à une gravure latérale de la grille et induit des phénomènes de micro masquage. Cela impose un mélange HBr/Cl2 et une gravure à faible énergie de bombardement ionique pour la gravure sélective du métal.La stratégie de gravure du silicium de la grille a du être repensée car l'intégration d'une couche métallique entre le silicium et le diélectrique de la grille modifie la distribution des charges statiques àla surface de la couche d'arrêt, ce qui perturbe le contrôle dimensionnel des profils gravés. De plus lagravure de TiN doit être anisotrope et sélective vis-à-vis de HfO2 tout en respectant l'intégrité de la partie supérieure de la grille en silicium. Ce travail montre que pour éviter la formation d'une encoche latérale à l'interface silicium/métal pendant la gravure du TiN il est nécessaire de contrôler à la fois les couches de passivation qui protègent les flancs du silicium et la composition chimique des dépôts qui recouvrent les parois du réacteur (car cette dernière influence les taux de recombinaison et donc les densités des atomes de Cl et de Br dans le plasma). Il est donc important de contrôler les étapes de conditionnement et de nettoyage des réacteurs de gravure