Title: Gravure en plasma dense fluorocarbon
1Gravure en plasma dense fluorocarboné de
matériaux organosiliciés à faible constante
diélectrique (SiOCH, SiOCH poreux). Etude dun
procédé de polarisation pulsée
- Vanessa RABALLAND
- 5 juillet 2006
- Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes,
Plasmas et Couches Minces - Encadrée par Christophe CARDINAUD et Gilles CARTRY
2Application en microélectronique
Introduction
- Augmenter lintégration diminuer la taille des
transistors et des interconnexions - Augmenter la fréquence des microprocesseurs
diminuer le temps de transfert des données
3Réduction déchelle
Introduction
- Diminuer la résistivité du métal ? Al ? Cu
4Réduction déchelle
Introduction
- Diminuer la résistivité du métal ? Al ? Cu
- Diminuer la capacité entre les lignes
métalliques en - diminuant la constante diélectrique ?r du
matériau isolant - ? SiO2 (?r4,1) ? SiOCH (?r2,9) ? SiOCH poreux
(?r2,2)
5Intégration des interconnexions Procédé
damascène
- Dépôt et Gravure du diélectrique
- Remplissage de cuivre
Introduction
Lithographie de la ligne
Gravure des vias
Résine
Masque dur
Diélectrique
Couche darrêt de gravure
Gravure de la ligne
Cuivre
Retrait résine et couches darrêt
Dépôt de cuivre
6Intégration des interconnexions Procédé
damascène
- Dépôt et Gravure du diélectrique
- Remplissage de cuivre
Introduction
Lithographie de la ligne
Gravure des vias
Résine
Masque dur
Diélectrique
Couche darrêt de gravure
Gravure de la ligne
Cuivre
Retrait résine et couches darrêt
Dépôt de cuivre
7Intégration des interconnexions Procédé
damascène
- Dépôt et Gravure du diélectrique
- Remplissage de cuivre
Introduction
Lithographie de la ligne
Gravure des vias
Résine
Masque dur
Diélectrique
Couche darrêt de gravure
Gravure de la ligne
Cuivre
Retrait résine et couches darrêt
Dépôt de cuivre
? Graver de façon anisotrope et sélective vis à
vis du masque ou de la couche darrêt de gravure
8Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
9Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
Produits volatiles
10Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
Caractéristiques demandées Paramètres ajustables
Vitesse de gravure (200 nm/min) Sélectivité/ masque dur et couche darrêt (gt10) Anisotropie Mélange de gaz Flux dions Energie des ions
11Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
Caractéristiques demandées Paramètres ajustables
Vitesse de gravure (200 nm/min) Sélectivité/ masque dur et couche darrêt (gt10) Anisotropie Mélange de gaz Flux dions Energie des ions Pulse de la tension de polarisation
12Réacteur de gravure
Introduction
13Réacteur de gravure
Introduction
14Réacteur de gravure
Introduction
15But de létude et plan de lexposé
- Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
- de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH
- Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
- Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
- Compréhension du procédé de gravure pulsée
- Conclusion et perspectives
16But de létude et plan de lexposé
- Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
- de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH
Polarisation pulsée
- Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
- Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
- Compréhension du procédé de gravure pulsée
- Conclusion et perspectives
17Gravure en plasma de CHF3 Polarisation continue
gravure
dépôt
1500 W 5 mTorr CHF3 40 sccm
Polarisation pulsée
18Pourquoi pulser la tension de polarisation ?
gravure
dépôt
1500 W 5 mTorr CHF3 40 sccm
Polarisation pulsée
19Influence des paramètres de pulse sur les
vitesses de gravure
Polarisation pulsée
- Diminution de la vitesse de gravure
- Décalage du seuil dépôt-gravure
? Peu dinfluence
20Vitesse de gravure et sélectivité en CHF3 avec
polarisation pulsée
continu
Polarisation pulsée
rc1
- Gravure en polarisation pulsée
continu
21Influence du plasmaAddition dArgon à CHF3
CHF3/Ar (50-50)
Polarisation pulsée
SiOCH poreux
- Gravure en polarisation pulsée
- Sélectivité SiOCH poreux / SiCH
- rc0.50 peu damélioration / mode continu
- rc0.25 sélectivités plus élevées
Sélectivité SiOCH poreux / SiO2 rc0.50
pas damélioration / mode continu rc0.25
séléctivités améliorées
22Influence du plasmaAddition dhydrogène à CHF3
CHF3/H2 (75-25)
Polarisation pulsée
SiOCH poreux
- Gravure en polarisation pulsée
Sélectivité SiOCH poreux / SiCH Peu
damélioration entre les modes continu et pulsé à
rc0,50 Augmentation de la sélectivité à
rc0.25 Sélectivité SiOCH poreux / SiO2
Augmentation de la sélectivité en diminuant le
rapport cyclique
23Transfert de motifs
CHF3
- Anisotropie, transfert de motifs correct lorsque
la tension de polarisation est pulsée
Polarisation pulsée
rc0,25 170V 90nm/min
L300nm E200/400/600nm
- diminution du phénomène dARDE
24Bilan sur le procédé polarisation pulsée
Polarisation pulsée
- En diminuant le rapport cyclique
- Décalage du seuil dépôt-gravure vers les plus
fortes énergies des ions - différenciation du seuil entre SiOCH
poreux et SiO2 ou SiCH - ? Amélioration de la sélectivité de gravure SiOCH
poreux/SiCH et SiOCH poreux/SiO2
- En polarisation pulsée
- Transfert de motifs réalisable
- Diminution du phénomène dARDE
25But de létude et plan de lexposé
- Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
- de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH
- Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
- Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
- Compréhension du procédé de gravure pulsée
- Conclusion et perspectives
26But de létude et plan de lexposé
- Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
- de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH
- Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
- Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
- Compréhension du procédé de gravure pulsée
- Conclusion et perspectives
Mécanismes de gravure
27Comparer les mécanismes de gravure en
polarisation pulsée et continue
- En polarisation pulsée le plasma est inchangé
/ mode continu - Seule lénergie des ions varie
Mécanismes de gravure
28SiCH Modèle de surface et mécanisme de gravure
- Eon04
- Modèle bi-couche - couche CFx
- - couche dinteraction SiFx
- Epaisseur CFx limite la diffusion du fluor du
- plasma vers SiCH
Mécanismes de gravure
D. Eon, Thèse de doctorat, Université de Nantes,
2004
29SiCH Modèle de surface et mécanisme de gravure
- En polarisation continue
- ? Présence de CFx, SiFx
- ? Epaisseur CFx importante (3nm) limite la
gravure
- En polarisation pulsée
- ? Peu de variations
- ? Epaisseur CFx importante limite la gravure de
SiCH
? Modèle de surface SiCH identique en
polarisation continue et pulsée
Mécanismes de gravure
Plasma CHF3/Ar (50-50) 1500W 5mTorr 200V
30SiO2 Modèle de surface et mécanisme de gravure
- Deux régimes de gravure Oehrlein94Gaboriau05
- Faible énergie des ions Epaisseur CFx
importante limite la diffusion du fluor du plasma
vers SiO2 - Forte énergie des ions Epaisseur CFx faible non
limitante ? Composition du plasma
Mécanismes de gravure
Oehrlein et al., J. Vac. Sci. Technol. A 12,
p.333, 1994 Gaboriau et al., J. Vac. Sci.
Technol. A 23, p.226, 2005
31SiO2 Modèle de surface et mécanisme de gravure
- En polarisation continue
- ? Présence de CFx faible diminution Si 2p
- ? Epaisseur CFx faible (1nm) non limitante
- En polarisation pulsée
- ? Augmentation des CFx faible diminution Si
2p - ? Epaisseur CFx faible non limitante
Mécanismes de gravure
? Modèle de surface SiO2 identique en
polarisation continue et pulsée
Plasma CHF3/Ar (50-50) 1500W 5mTorr 200V
32SiOCH poreux Modèle de surfaceanalyse XPS
- En polarisation continue
- ? Présence de CFx
- ? Pic Si 2p sensible élargissement
- En polarisation pulsée
- ? Forte augmentation des composantes CFx
- ? Pic Si 2p inchangé
? Pas de couche dinteraction, présence de CFx
Mécanismes de gravure
Plasma CHF3/Ar (50-50) 1500W 5mTorr 200V
33SiOCH poreux Modèle de surfaceanalyse XPS
angulaire
- En polarisation continue ET pulsée
- F et CFx présents sur toute
- lépaisseur sondée
- Pas de gradient de concentration dans lépaisseur
sondée
Mécanismes de gravure
Possémé04 Diffusion despèces CFx dans le
matériau poreux
- Gravure Compétition entre la formation de la
couche modifiée (SiOCHCFx) et la gravure du
matériau poreux
Possémé et al., J. Vac. Sci. Technol. B 22,
p.2772, 2004
34SiOCH poreux Modèle de surface
- MEB ? surface rugueuse après gravure en
polarisation continue ou pulsée
Mécanismes de gravure
- Plasma polymérisant et faible énergie des ions
favorisent le dépôt CFx
35SiOCH poreux / SiOCH dense
Mécanismes de gravure
- Gravure du matériau poreux plus efficace que
celle du matériau dense en polarisation continue
ET pulsée
- Sankaran03
- Morphologie (porosité, diamètre des pores)
favorise la pulvérisation du matériau
Sankaran et al. Appl. Phys. Lett. 82(12) 2003
36Bilan sur les mécanismes de gravure en
polarisation pulsée
- En polarisation pulsée
- Le plasma est inchangé
- Les modèles de surface des différents matériaux
sont identiques en polarisation continue et
pulsée
- Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
similaires à ceux en polarisation continue
Mécanismes de gravure
- ? MAIS le procédé de gravure diffère
- diminution des vitesses de gravure en diminuant
le rapport cyclique - décalage du seuil dépôt-gravure vers les plus
fortes énergies des ions
- Comment fonctionne le procédé de gravure en
polarisation pulsée ?
37But de létude et plan de lexposé
- Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
- de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH
- Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
- Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
- Compréhension du procédé de gravure pulsée
- Conclusion et perspectives
38But de létude et plan de lexposé
- Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
- de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH
- Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
- Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
- Compréhension du procédé de gravure pulsée
- Conclusion et perspectives
Procédé pulsé
39Etape de gravure en polarisation pulsée
A basse fréquence
Procédé pulsé
40Etape de gravure en polarisation pulsée
A basse fréquence
CFx
Si
Phase 1 dépôt FC
1
Procédé pulsé
41Etape de gravure en polarisation pulsée
A basse fréquence
CFx
Si
Phase 1 dépôt FC
1
2
Phase 2 gravure FC
Procédé pulsé
xT
42Modélisation de la vitesse de gravure en
polarisation pulsée
Procédé pulsé
43Modélisation de la vitesse de gravure en
polarisation pulsée
Schaepkens et al. JVST B 18, 2000
- le modèle prédit le décalage du seuil
dépôt-gravure - MAIS
- seuils sur-estimés
- vitesses de gravure sous-estimées
- même observation pour les autres matériaux
SiO2, SiCH
modèle
Procédé pulsé
44Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé
45Caractérisation de la couche CFx à la surface des
matériaux épaisseur
- CHF3/H2 et CHF3/Ar, lépaisseur CFx est
constante sur tous les matériaux
Procédé pulsé
46Caractérisation de la couche CFx à la surface des
matériaux composition
CHF3/H2 (75-25)
- Diminution du rapport cyclique
- Augmentation du rapport F/C de la couche CFx
- Gravure du film CFx plus facile épaisseur CFx
varie peu/ continu - Gravure du matériau plus efficace lorsque la
couche CFx est plus riche en fluor
CHF3/Ar (50-50)
- SiOCH poreux comportement différent
- Couche CFx très fluorée
Procédé pulsé
47Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé
48Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé
49Correction sur la vitesse de gravure à travers un
film CFx plus fluoré
Procédé pulsé
50Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé
c/ la gravure du matériau ne sopère que
pendant la phase 3 MAIS le dépôt formé
pendant la phase 1 est mince et ne bloque pas la
gravure du matériau pendant la phase 2
51Vitesse de gravure du matériau pendant TON
1
2
3
1
2
3
Procédé pulsé
52Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé
c/ la gravure du matériau ne sopère que
pendant la phase 3 MAIS le dépôt formé
pendant la phase 1 est mince et ne bloque pas la
gravure du matériau pendant la phase 2
53Validation du modèle de gravure en polarisation
pulsée
- pour SiO2 et SiCH, le modèle prédit correctement
seuil et vitesse de gravure
Procédé pulsé
- pour SiOCH poreux, les vitesses de gravure sont
sous-évaluées
54Modèle de gravure en polarisation pour SiOCH
poreux
d/ La gravure du matériau peut sopérer
spontanément pendant une fraction de temps à
lextinction du pulse
? modèle en meilleur accord avec lexpérience
Procédé pulsé
55Bilan sur le modèle de gravure en polarisation
pulsée
- Le procédé de gravure nest pas une simple
succession des étapes de - dépôt FC TOFF
- gravure FC xT
- gravure du matériau TON-xT
- La gravure en polarisation pulsée sopère
- dès le début du temps TON
- à travers un film FC plus fluoré / polarisation
continue - pendant une fraction de temps supplémentaire à
- lextinction du pulse (selon les matériaux)
Procédé pulsé
56Conclusion et perspectives
Conclusion