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Développement de procédés de gravure
de grille métallique W, WN pour les nœuds
          technologiques sub-45 nm
              Thèse CIFRE STMicroelectronics
                  Réalisée au CEA-LETI


                     Thomas Morel
                  Université Joseph Fourier


      Encadrant : Sébastien Barnola (CEA-LETI-Minatec)
       Directeur de thèse : Olivier Joubert (CNRS-LTM)

                         5 mai 2009
Sommaire
   Contexte
           Introduction
           Objectifs de l’étude

   Dispositif expérimental
           La méthodologie de travail
           Les réacteurs de gravure


   Optimisation des procédés de gravure
           Caractérisation des matériaux
           Etude préliminaire
           Développement de chimies à base de Cl2/O2


   Compréhension des mécanismes de gravure
           Analyse de surface par XPS
           Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse
           Analyse des couches de passivation

   Conclusions et perspectives
Conclusions    Compréhension    Optimisation     Dispositif
Perspectives   des mécanismes   des procédés   expérimental   Contexte
                                                                         Qu’est-ce que la microélectronique ?




3
Qu’est-ce que la microélectronique ?
    Contexte
expérimental
  Dispositif
des procédés
Optimisation




                                              Deux grandes parties dans une puce
                                                 Le back-end : interconnexions
des mécanismes
Compréhension




                                                 Le front-end : dispositifs actifs
Perspectives
Conclusions




                    Source : www.intel.com
                                                                                     4
Le transistor MOS
    Contexte
                                                  Transistor MOS ≡ Commutateur


                                                                                Diélectrique de
                                                                                     grille
expérimental
  Dispositif




                                                                                                  TOX




                 Source : www.ibm.com
des procédés
Optimisation




                                                            Pour la technologie 150 nm (2000)
                                                      Longueur de grille L = 120 nm
                                                      Tox (Epaisseur d’oxyde) = 1,9 nm
des mécanismes
Compréhension




                                                                           10 ans


                                                           Pour la technologie 45 nm (2010)
Perspectives
Conclusions




                               2300 transistors      Longueur de grille L = 23 nm
                                                     Tox équivalent = 0,65 nm
                                                                                                        5
Optimisation du transistor MOS
                         Limiter les courants de fuite                           Eviter la déplétion de grille
    Contexte



                 Remplacer l’oxyde de grille par un High-K                Insérer une couche métallique entre la
                                                                              grille et le diélectrique de grille
expérimental




                                     kSiO2
  Dispositif




                                                    k HK
                         Cox = A ×           = A×
                                     TSiO2          THK


                                                                                Polysilicium                Polysilicium
                      Polysilicium             Polysilicium
des procédés
Optimisation




                                                                                 Déplétion                       Métal
                                                              THK   EOT           SiO2          EOT              SiO2
                         SiO2                    High-K

                      Substrat Si              Substrat Si                      Substrat Si                 Substrat Si
des mécanismes
Compréhension




                                     SiO2                                                      High-k
Perspectives
Conclusions




                       Grille CMOS conventionnelle                                  Grilles métalliques duales
                                                                                                                          6
Introduction des métaux W et WN
    Contexte

                                                       N+



                                                                 W, WN               W, WN MOCVD*:
expérimental
  Dispositif




                                                                                     CEA-LETI


                                                                P+           H. Michaelson, JAP 48 p4729 (1977)
des procédés
Optimisation




                  Avantages de W, WN
                       Matériaux connus dans la microélectronique (ex : interconnexions)
                       Grande stabilité thermique (température de fusion du W : 3422 °
                                                                                     C)
des mécanismes




                       Dépôt MOCVD pour éviter de dégrader le High-K
Compréhension




                  Les nouveaux problèmes liés à l’intégration du W, WN
                       Besoin d’une couche TiN pour éviter la siliciuration du W (WN) lors du dépôt poly-Si
                       Quel impact sur le poly-Si et le TiN et leur gravure ?
Perspectives
Conclusions




                       Besoin de contrôler la contamination métallique après gravure     nettoyage du réacteur

                  * Metal Organic Chemical Vapor Deposition                                                       7
Objectifs de la gravure de grille métallique
    Contexte
expérimental
  Dispositif




                                       Masque




                             Poly-Si 1000 Å
des procédés
Optimisation




                                  TiN 100 Å
                             W ou WN 100 Å
                                High-K 30 Å
                                 Substrat Si
des mécanismes
Compréhension




                                 Compatibilité des chimies de gravure
                                du poly-Si et du métal
                                  Sélectivité métal/high-k > 30:1
Perspectives
Conclusions




                                  Aucun résidu métallique sur la grille

                                                                          8
Sommaire
   Contexte
           Introduction
           Objectifs de l’étude

   Dispositif expérimental
           La méthodologie de travail
           Les réacteurs de gravure


   Optimisation des procédés de gravure
           Caractérisation des matériaux
           Etude préliminaire
           Développement de chimies à base de Cl2/O2


   Compréhension des mécanismes de gravure
           Analyse de surface par XPS
           Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse
           Analyse des couches de passivation

   Conclusions et perspectives
Méthodologie de travail
                                                       6
                                              6,0x10


                 Nombre de coups
                                                       6
                                              4,0x10

                                                       6
                                              2,0x10
                                                                                                                                                                                                W                     O
                                                       5
                                               4x10
                                                       5
                                               3x10
                                                       5
                                               2x10
                                                       5
                                               1x10                                                                                                                                                    Cl
expérimental




                                                   0
                                                                                                                                                                                 C+F
 Dispositif




                                                           0    50   100 150        300        350   400
                                                                          Masse (u.m.a.)
                                                                                                                                                                   Caractérisation des
                                              Analyse de la phase                                                                                                 dépôts sur les flancs
                                              gazeuse du plasma
                                                                                                                   Masque




                                                                                                                                                                                                                      (W -O
                                                                                                                                                                                                                         3)
                                                                                                                                                                                                                        O
                                                                                                                                                                                                                        W
                                                                                                                                                                                               14000

                                                                                                                                                                                               12000
                                                                                                                    Poly




                                                                                                                                                                            Intensité (u.a.)
                                                                                                                                                                                               10000                                             W-W
des procédés
Optimisation




                                                     Poly
                                                                             Contrôle du                           Poly-Si                                                                      8000

                                                                                                                                                                                                6000            O-W-F

                                                     TiN
                                                                            profil de grille                                                                                                    4000
                                                                                                                                                                                                               (WOxFy)
                                                                                                                                                                                                                                      W-C
                                                                                                                                                                                                2000
                                                      W                                                                                                                                                       W5p3

                                                                                                                    TiN
                                                                                                                    TiN                                                                            0
                                                                                                                                                                                                        40     38     36        34         32         30
                                                                                                                                                                                                              Energie de liaison (eV)

                                              500
                                                                                                                  W ou WN
                                                                                                                     W
                                                                                                           HfO2                                                             Analyse de surface
                 Vitesse de gravure (Å/min)
des mécanismes




                                                               WN
Compréhension




                                              400                                                                 Substrat Si
                                                                                                                                                                       6
                                                                                                                                                                  10
                                              300
                                                                                                                                                                       5
                                                                                                                                                                  10                                    W
                                              200




                                                                                                                                               Intensité (u.a.)
                                                                                                                                                                  10
                                                                                                                                                                       4          WN
                                                               W
                                              100                                                                                                                      3
                                                                                                                                                                  10

                                                                                                                                                                       2
                                                 0                                                                                                                10
Perspectives




                                                     0               10        20         30         40
Conclusions




                                                                          O2/(O2+Cl2) (%)                                    Caractérisation                      10
                                                                                                                                                                       1




                                                                                                                             des matériaux
                                                                                                                                                                       0
                                                                                                                                                                  10
                 Détermination des vitesses de gravure                                                                                                                     0,5                  1,0     1,5     2,0       2,5        3,0        3,5        4,0
                                                                                                                                                                                                               Angle (°
                                                                                                                                                                                                                      )
                    et des sélectivités métal/high-k                                                                                                                                                                                             10
Réacteurs de gravure 200 et 300 mm
                  2 réacteurs de type ICP (Inductively Coupled Plasma)
expérimental
 Dispositif




                  Plateforme 300 mm LAM Versys de LAM Research                Plateforme 200 mm Centura d’Applied Materials
des procédés
Optimisation
des mécanismes
Compréhension




                      Optimisation des procédés de                                 Caractérisation des plasmas et
                                gravure                                             des matériaux par XPS et
                                                                                    spectrométrie de masse*
Perspectives
Conclusions




                  * Réacteur Centura 300 mm d’Applied Materials pour la spectrométrie de masse                                11
Sommaire
   Contexte
           Introduction
           Objectifs de l’étude

   Dispositif expérimental
           La méthodologie de travail
           Les réacteurs de gravure


   Optimisation des procédés de gravure
           Caractérisation des matériaux
           Etude préliminaire
           Développement de chimies à base de Cl2/O2


   Compréhension des mécanismes de gravure
           Analyse de surface par XPS
           Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse
           Analyse des couches de passivation

   Conclusions et perspectives
Caractérisation des métaux avant gravure
                                                     Spectre W4f du W                                                  Spectre W4f du WN
                                                                                                                        O-W-N
                                               Analyse en surface
                                        1,2                             W-W                               12
                                                                                                               Analyse en surface
                     Intensité (u.a.)




                                                                                       Intensité (u.a.)
                                        0,8                                                                8

                                                            W-O                                                                          W-N
                                        0,4                                                                4
                                                                                                                                    Analyse en profondeur

                                                     Analyse en profondeur
                                        0,0                                                                0
                                                40     38      36     34     32   30                            40      38     36   34    32     30
des procédés
Optimisation




                                                      Energie de liaison (eV)                                         Energie de liaison (eV)

                                                                    WOx

                                                                                                                               WOxN
                                                                    W
des mécanismes
Compréhension




                   W est légèrement oxydé en surface
                   WN présente un taux d’oxygène élevé
                   W est plus dense que WN (19 g.cm-3 contre 15 g.cm-3)
Perspectives
Conclusions




                                              Quelle conséquence sur l’intégration des métaux dans la grille ?
                                                                                                                                                            13
Caractérisation des empilements de grille
                                                                                            HfO2                                                               HfO2




                                                             Poly-Si




                                                                                                                                     Poly-Si
                 Observations                                               TiN        W           Si                                          TiNOy WOxN Si
                    TEM



                                                   100
                                                                                                                           100
des procédés
Optimisation




                                                    80                                                                      80




                                                                                                        Intensité (u.a.)
                                Intensité (u.a.)




                                                    60                                                                      60

                 Cartographie                       40                                                                      40
                 de l’oxygène
                                                    20                                                                      20
des mécanismes
Compréhension




                                                     0                                                                       0
                                                         0             10      20     30      40                                 0        10      20     30     40

                                                                            Position (nm)                                                      Position (nm)

                      Présence d’un oxyde natif à la surface de la couche de TiN
                      Diffusion de l’oxygène de WOxN vers TiN pendant le dépôt de poly-Si/TiN ?
Perspectives
Conclusions




                      Génère une couche de TiNOy dans le cas du WN

                                                                                                                                                                     14
Etude préliminaire : gravure des métaux
                                50 sccm X, 10 mTorr, 500 W (source), 0 à 100 V (tension de polarisation)

                                               1600                                                                            1600
                  Vitesse de gravure (Å/min)




                                                                                                  Vitesse de gravure (Å/min)
                                               1400                                                                            1400
                                                                                                                                           SF6
                                                          SF6
                                               1200                                                                            1200
                                               1000       NF3                                                                  1000
                                               800                                                                              800
                                                                                                                                            NF3                            WOxNy
                                               600                                   W                                          600         CF4
                                                                                                                                                                                      Cl2
des procédés
Optimisation




                                               400                                                                              400
                                               200        CF4                                                                   200
                                                                                            Cl2                                                                                       HBr
                                                                                 HBr
                                                 0                                                                                0
                                                      0         20   40   60    80        100                                         0         20         40         60         80           100
                                                            Tension de polarisation (V)                                                       Tension de polarisation (V)
des mécanismes
Compréhension




                                                                                                                                      S. Ghandhi, VLSI Fabrication Principles, 2nd Edition.
                                                                                                                                                   Wiley-Interscience, (1994)
                                               Inadaptée en HBr
                                               Gravure assistée par le bombardement ionique en Cl2
                                               Gravure de nature chimique pour les plasmas fluorés
                                               Compétition entre dépôt d’espèces fluorocarbonées et gravure en CF4
Perspectives
Conclusions




                                               Des vitesses de gravure plus élevées pour le WN
                                                                                                                                                                                                15
Gravure du HfO2 et sélectivité W/HfO2
                  50 sccm X, 10 mTorr, 500 W (source), 30 à 100 V (tension de polarisation)

                  Vitesse de gravure (Å/min)   160                                                                           450
                                               140                                                                           400                                 CF4
                                                               CF4




                                                                                                    Sélectivité W sur HfO2
                                               120                                                                           350                                 Cl2
                                                               Cl2                                                           300
                                               100                                                                                                               NF3
                                                               NF3                                                           250
                                                80                                                                                                               SF6
                                                               SF6                                                           200
                                                60
                                                                                                                             150
                                                40
                                                                                                                             100
                                                20                                                                            50
des procédés
Optimisation




                                                 0                                                                            0
                                                     0    20         40   60   80       100                                        0   20     40     60    80        100

                                                          Tension de polarisation (V)                                                  Tension de polarisation (V)

                                                 Vitesses de gravure dépendantes de l’énergie des ions appliquées à la
                                                 surface
des mécanismes
Compréhension




                                                 Sélectivité métal/high-k diminue fortement avec l’énergie des ions
                                                         En chimie chlorée : tension de polarisation < 60 V
                                                         En chimie fluorée : marge plus importante
Perspectives
Conclusions




                                                     Fenêtre de procédé restreinte pour la gravure du W (WN) / HfO2

                                                                                                                                                                           16
Stratégie de gravure de grille


                                                                      Gravure poly-Si
                                                                •   SF6/CH2F2/N2/He
                         Masque
                                                                        Passivation CFx

                                                                •   HBr/O2/He
                                                                        Arrêt sur TiN
des procédés
Optimisation




                    Poly-Si 1000 Å
                                                                •   HBr/He
                                                                        Surgravure
                        TiN 100 Å
                    W ou WN 100 Å
                      High-K 30 Å
                                                                    Gravure des métaux
des mécanismes
Compréhension




                                      Substrat Si




                    Comment intégrer la gravure métallique dans la gravure de grille ?
Perspectives
Conclusions




                                                                                          17
Limitations des chimies classiques

                          TiNOy - WOxN : Cl2-NF3                  TiNOy - WOxN : SF6-CH2F2


                             Poly-Si                                    Poly-Si
des procédés
Optimisation




                       TiNOy + WOxN                              TiNOy + WOxN

                                               75 nm                               75 nm


                    Mise en évidence des nouvelles contraintes :
des mécanismes
Compréhension




                       Préserver le profil vertical dans le polysilicium
                       Obtenir un profil vertical de la bicouche métallique
                       Obtenir une sélectivité métal/high-k suffisamment élevée
Perspectives
Conclusions




                    Compromis impossible, besoin de développer une autre stratégie
                                                                                             18
Utilisation de la chimie Cl2/O2 pour W et WN
                   H. Lee et al., Materials Science in Semiconductor Processing 8, p602 (2005)
                       La vitesse de gravure du W, WN augmente avec l’ajout d’O2
                                      création de produits de gravure plus volatils de type WOClx
                       La sélectivité W (ou WN)/polysilicium augmente avec l’ajout d’O2

                                                          W
                                                         WN
des procédés
Optimisation




                                                       Poly-Si



                                                   Technolgie DRAM
                                            (Dynamic Random Access Memory)
des mécanismes
Compréhension




                   J. Chen et al., JVSTA 22, p1552 (2004)
                      La vitesse de gravure des high-k diminue avec l’ajout d’O2
                      (ré-oxydation des produits de gravure de type HfO)
Perspectives
Conclusions




                                                                                               19
Etudes des cinétiques de gravure du W, WN et HfO2
                               80 sccm (Cl2+O2), 5 mTorr, 450 W (source), 30 V (tension de polarisation)
                                               500                                                                               12
                  Vitesse de gravure (Å/min)




                                                                                                    Vitesse de gravure (Å/min)
                                                         WN                                                                      10
                                               400

                                                                                                                                  8
                                               300
                                                                                                                                  6
                                               200                                                                                        HfO2
                                                                                                                                  4
                                                         W
                                               100
                                                                                                                                  2
des procédés
Optimisation




                                                 0                                                                                0
                                                     0        10       20      30       40                                            0   10       20       30        40
                                                                   O2/(O2+Cl2) (%)                                                             O2/(O2+Cl2) (%)

                                                 Concernant W et WN, 2 régimes:
des mécanismes
Compréhension




                                                         La vitesse de gravure des métaux augmente avec l’ajout d’O2
                                                         La gravure est stoppée au-delà d’un certain pourcentage

                                                 La vitesse de gravure de HfO2 est négligeable voire nulle                                              sélectivité
                                                 métal/HfO2 quasi-infinie
Perspectives
Conclusions




                                                 Quel profil du métal associé à ces sélectivités métal/high-k élevée ?
                                                                                                                                                                           20
Profil du WN dans les plasmas Cl2/O2
                    Profil vertical du TiNOy en Cl2 (présence d’oxygène dans la couche)
                    WOxN gravé dans un plasma de Cl2/O2 avec un débit total de 80 sccm


                            Cl2                  Cl2/O2 5%             Cl2/O2 20%

                                                                          Poly
                           Poly                    Poly
des procédés




                           TiNOy                  TiNOy                   TiNOy
Optimisation




                           WOxN                   WOxN                    WOxN

                               50 nm
des mécanismes
Compréhension




                   Contrôle du profil du WN avec 5% d’O2 dans Cl2/O2
Perspectives
Conclusions




                                                                                          21
Profils du W dans les plasmas Cl2/O2
                         Profil vertical du TiN in Cl2/HBr
                         W gravé dans un plasma de Cl2/O2 avec un débit total de 80 sccm
                                                                                             30% O2
                        no O2     10% O2       20% O2        30% O2



                 Poly                                                              Poly
des procédés
Optimisation




                  TiN
                  W                                                                 TiN
                                                                                     W
                         75nm
des mécanismes
Compréhension




                        Sans O2 : le TiN est gravé latéralement par le chlore pendant la gravure du W
                        Augmentation de la concentration d’O2 dans Cl2/O2 :
                            Diminution de la gravure latérale du TiN
                            Augmentation du dépôt sur les flancs des motifs
Perspectives
Conclusions




                             Comment contrôler ce dépôt sur les flancs des motifs ?
                                                                                                   22
Impact du fluor sur la gravure du métal et du high-k
                                               80 sccm (Cl2+O2) + X sccm NF3, 5 mTorr, 450 W (source), 30 V (tension de polarisation)


                                               800                                                                               14




                                                                                                    Vitesse de gravure (Å/min)
                                                                                15 sccm NF3                                                                15 sccm NF3
                                                         W
                  Vitesse de gravure (Å/min)


                                                                                                                                 12
                                               600
                                                                                                                                 10

                                                                                                                                  8
                                               400
                                                                                                                                  6
                                                                                                                                                             HfO2
                                                                                                                                  4
                                               200
des procédés




                                                                          7 sccm NF3
Optimisation




                                                                                                                                  2            sans NF3
                                                         sans NF3                                                                 0
                                                 0
                                                     0    10   20    30    40     50   60                                             0   10    20    30    40    50   60
                                                                O2/(O2+Cl2) (%)                                                                 O2/(O2+Cl2) (%)
des mécanismes
Compréhension




                                                 Comportement identique avec l’ajout de fluor
                                                 Décalage de la limite avant la diminution de la vitesse de gravure de W
                                                 Vitesse de gravure négligeable de HfO2                                          sélectivité W/HfO2 > 60 : 1
Perspectives
Conclusions




                                                                                                                                                                         23
L’ajout du fluor pour le contrôle des couches de passivation

                     Gravure du TiN en Cl2/HBr
                     Gravure du W en Cl2/O2 30% + NF3



                                    30% O2       7sccm NF3 11sccm NF3 15sccm NF3
des procédés
Optimisation




                                                    pente        léger        Notch +
                                                                75nm
                                                                 notch      Attaque poly
des mécanismes
Compréhension




                     Ajout de NF3: contrôle le profil de W (légère pente à profil rentrant)
                     Avec un débit NF3 trop élevé : gravure du pied du polysilicium
Perspectives
Conclusions




                                                                                              24
Développement de procédés de gravure de grille : conclusion



                                  Poly-Si                      Développement
                                                                d’un procédé
                   WOxN            TiNOy           TiNOy        de gravure en
                                   WOxN            WOxN             Cl2/O2          75 nm

                                                                                 Sélectivité
                                                                                WN/HfO2 infinie
des procédés
Optimisation




                 W, WN après W, WN intégrés      Gravure des
                 dépôt pleine dans les grilles    métaux en
                    plaque     métalliques         Cl2 pur
des mécanismes
Compréhension




                    WOx           Poly-Si                      Besoin d’une
                                                               forte quantité
                     W              TiN                         d’O2 et ajout
                                     W               W            de fluor          léger
                                                                                    notch
                                                  Gravure
Perspectives
Conclusions




                                                  latérale                        Sélectivité
                                                   du TiN                        W/HfO2 > 60:1
                                                                                                  25
Sommaire
   Contexte
           Introduction
           Objectifs de l’étude

   Dispositif expérimental
           La méthodologie de travail
           Les réacteurs de gravure


   Optimisation des procédés de gravure
           Caractérisation des matériaux
           Etude préliminaire
           Développement de chimies à base de Cl2/O2


   Compréhension des mécanismes de gravure
           Analyse de surface par XPS
           Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse
           Analyse des couches de passivation

   Conclusions et perspectives
Impact des plasmas Cl2/O2 sur la surface de W
                   100 sccm (Cl2+O2), 5 mTorr, 300 W (source), 24 W (puissance de polarisation)

                                                    300

                       Vitesse de gravure (Å/min)
                                                                                        2.8%



                                                                             W     Cl

                                                              W   Cl
                                                    200




                                                    100                                              O

                                                                                                          5.64%
                                                                                                     W

                                                      0
des mécanismes
Compréhension




                                                          0            10   20             30   40   50
                                                                            O2/(O2+Cl2) (%)

                     En régime de gravure : couche réactive en surface négligeable.
                     Au-delà de 35% d’O2 : création d’une couche d’oxyde métallique de type WO2
Perspectives
Conclusions




                             la gravure du métal est stoppée
                                                                                                                  27
Impact des plasmas Cl2/O2 sur la surface de W
                   100 sccm (Cl2+O2) + 5 sccm SF6, 5 mTorr, 300 W (source), 24 W (puissance de polarisation)


                                                                800




                                   Vitesse de gravure (Å/min)
                                                                      15 sccm NF3
                                                                600
                                                                                                                                 12.8%
                                                                                                                       O
                                                                                                                            Cl
                                                                                                                            F      11.7%
                                                                400                                                W
                                                                                                           57.8%


                                                                                                 O
                                                                200
                                                                                                       5.64%
                                                                                                W
                                                                          sans NF3
                                                                  0
des mécanismes
Compréhension




                                                                      0     10   20       30    40      50             60
                                                                                     O2/(O2+Cl2) (%)

                    La composante WO2 disparaît
                    Création d’une couche réactive WOxFy
Perspectives
Conclusions




                            régime de gravure
                                                                                                                                           28
Impact des plasmas de Cl2/O2 sur la surface de WOxN
                   100 sccm (Cl2+O2), 5 mTorr, 300 W (source), 24 W (puissance de polarisation)

                                                                                                     O        34.7%
                                                  500   22.2%
                                                                        O
                                                                                         21.7%

                     Vitesse de gravure (Å/min)                                                  N       Cl
                                                                N                24.6%
                                                                            Cl
                                                  400                                                W
                                                                    W

                                                  300


                                                  200
                                                                                                                           O

                                                  100                                                                           Cl   8.06%
                                                                                                                           W
des mécanismes
Compréhension




                                                    0
                                                         0                               10                           20   30
                                                                                                 O2/(O2+Cl2) (%)
                     En régime de gravure : apparition d’une couche réactive de type WOxCly
                     riche en chlore
Perspectives
Conclusions




                     Au-delà de 10% d’O2 :
                              oxydation métallique du WN, la gravure est stoppée
                                                                                                                                             29
Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse

                                                        6
                                               4,5x10
                                                        6
                                               4,0x10
                                                        6
                                               3,5x10


                            Intensité (u.a.)
                                                        6
                                               3,0x10                             +                 +
                                                                             Cl                O2
                                                        6
                                               2,5x10                        ClO
                                                                                      +
                                                                                               Cl2
                                                                                                        +

                                                        6                             +                     +
                                               2,0x10                        Cl2O              ClO2
                                                        6
                                               1,5x10
                                                        6
                                               1,0x10
                                                        5
                                               5,0x10
                                                  0,0
                                                            0   10   20      30           40   50               60   70
des mécanismes
Compréhension




                                                                          O2/(O2+Cl2) (%)


                   Deux espèces ioniques majoritaires : Cl2+ et ClO+
Perspectives




                         Quelle espèce ionique a un rôle prépondérant sur l’augmentation
Conclusions




                              de la gravure du W (WN) dans les plasmas Cl2/O2 ?
                                                                                                                          30
Analyse des plasmas Cl2/O2 pendant la gravure du W
                                               Les espèces responsables de la gravure du W

                                                                                                                           250




                                                                                              Vitesse de gravure (Å/min)
                                              160                         15%
                 Vitesse de gravure (Å/min)



                                              140                                                                          200

                                              120
                                                                                                                           150
                                              100
                                                         3%




                                                                                       m
                                              80




                                                                                      cc
                                                                               cm
                                                                                                                           100




                                                                                      0s
                                              60
                                                                           sc
                                                                     m
                                                         cm




                                                                                    11
                                                                     cc

                                                                          80
                                              40                                                                            50
                                                     sc


                                                                    1s




                                              20
                                                    80


                                                                11




                                                0                                                                            0
                                                                                                                                        6          6          6          6      6
                                                                                                                                 0   1x10   2x10       3x10       4x10       5x10
                                                              Cl2          Cl2-O2 10%
des mécanismes
Compréhension




                                                                                                                                                        +
                                                                                                                                        Intensité ClO (u.a.)


                                              ClO+     accélère la réaction à la surface du W
                                              L’augmentation de la vitesse de gravure du W semble résulter
                                              principalement de la synergie entre les ions ClO+ et les neutres ClO
Perspectives
Conclusions




                                                     Travaux de C. C. Hsu sur la gravure du Ru en Cl2/O2
                                                     C. C. Hsu et al., JVSTA 24, p1 (2006)

                                                                                                                                                                              31
Analyse des plasmas Cl2/O2 pendant la gravure du WOxN

                                                                                                                                    +              +
                                                                                                                                  Cl         NO
                                             6                                                                            5            +         +
                                    3,5x10                     Cl
                                                                 +
                                                                                 NO
                                                                                       +
                                                                                                                   6x10           NO 2       NCl
                                                                   +                 +                                                   +         +
                                             6                 NO2               NCl                                              NCl2       Cl3
                                    3,0x10                               +             +                           5x10
                                                                                                                          5
                                                               NCl2              ClO




                                                                                                Intensité (u.a.)
                                             6                       +                 +
                                    2,5x10                     Cl2               Cl3                                      5
                 Intensité (u.a.)




                                                                                                                   4x10
                                             6
                                    2,0x10
                                                                                                                          5
                                                                                                                   3x10
                                             6
                                    1,5x10
                                                                                                                          5
                                             6
                                                                                                                   2x10
                                    1,0x10
                                                                                                                          5
                                    5,0x10
                                             5                                                                     1x10

                                       0,0                                                                            0
                                                 0   2   4      6            8             10                                 0      2       4         6     8   10
                                                         O2/(O2+Cl2)                                                                         O 2/(O 2+Cl2)
des mécanismes
Compréhension




                                         ClO+ responsable de l’augmentation de la vitesse de gravure du WN
                                         Réaction appuyée par la réaction de l’azote avec le chlore et l’oxygène du
                                         plasma
Perspectives
Conclusions




                                                                                                                                                                 32
XPS sur échantillon flottant

                       La technique de l’échantillon flottant : l’échantillon d’Al2O3 flottant, fixé
                   sur la plaque par des rouleaux de Kapton™, présente le même comportement
                   que les murs du réacteur

                                     Energie des ions ~ 15 eV :
                                              dépôt
                 Energie des ions > 100 eV                            Echantillon
                                                                        d’Al2O3
                                                                                         ≡     Surface des
                          gravure                                                            murs du réacteur

                                                                  Echantillon surélevé
                 W ou WN
                 Plaque de α-C                                                  O. Joubert et al. JVSTB 22 p553 (2007)
                                        RF bias
                                                                  XPS
des mécanismes
Compréhension




                                                                     Polymères sur les flancs
                      •Nature chimique du dépôt
                       sur l’échantillon flottant
                                                             ≡        de la grille pendant la
Perspectives
Conclusions




                                                                         gravure plasma

                                                                                                                         33
Analyse des couches de passivation dans le cas du W


                                         Echantillon                                                 Pas de
                                             Al2O3                Cl       C      Cl22
                                                                                  Cl
                                                                                                     dépôt



                                                                                                     Dépôt de
                                       Al2O3
                                        Ech            W-O Cl     O        C    Cl2/O2 10%10%
                                                                                 Cl2/O2                WO2

                            00      20
                                   20     40
                                         40      60
                                                60       80
                                                        80      100
                                                               100
                                  Element concentration (at %)
                                                                                 Cl2/O2 10-30%      Dépôt WO2
                                                                                                    Dépôt WO2
                                 W-O       Cl            OO-W-F        F       Cl2/O2 2 10% 2 30%
                                                                                    Cl2/O
                                                                                Cl2/O 10-30%
                                                                                        30%
                                         Ech 2O3
                                           Al                                                       supprimé
                                                                                                      épais
                                                                                     +
                                                                                  + SF6
                                                                                  + SF6   fluor
des mécanismes
Compréhension




                            00      20
                                   20     40
                                         40      60
                                                60       80
                                                        80      100
                                                               100
                                  Element concentration (at %)


                     Ajout d’O2 : déposition de WO2 d’où la pente dans le W
                     Ajout élevé d’O2 : augmentation du dépôt de type WO2
Perspectives
Conclusions




                     Ajout de fluor : élimination du WO2 et profil vertical du W
                                                                                                                34
Analyse des couches de passivation dans le cas du WOxN

                    Poly
                                    Echantillon
                                                       W
                                                                            C      Cl2         Dépôt
                    TiNOy                                  N       Cl
                                                                                               WNCl4
                    WNOx

                              0      20    40    60      80    100
                                  Element concentration (at %)
                    Poly

                                                                                             Léger dépôt
                    TiNOy                Ech                   W        O       Cl2/O2 5%
                   WNOx                                                                         WO2



                                                                                             Dépôt WO2
                                  Ech     W       Cl       O                    Cl2/O2 20%
                                                                                               épais
des mécanismes
Compréhension




                       En Cl2 pur : dépôt de type WNCl4
                       Ajout d’O2: réaction de l’oxygène avec l’azote pour créer des produits de
Perspectives
Conclusions




                       gravure volatils de type NOx et NCly    le dépôt WNCl4 est supprimé
                       Ajout élevé d’O2 : augmentation du dépôt de type WO2
                                                                                                       35
Sommaire
   Contexte
           Introduction
           Objectifs de l’étude

   Dispositif expérimental
           La méthodologie de travail
           Les réacteurs de gravure


   Optimisation des procédés de gravure
           Caractérisation des matériaux
           Etude préliminaire
           Développement de chimies à base de Cl2/O2


   Compréhension des mécanismes de gravure
           Analyse de surface par XPS
           Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse
           Analyse des couches de passivation

   Conclusions et perspectives
Conclusions et perspectives
                         Optimisation des procédés de gravure

                 Caractérisation des matériaux W et WN après dépôt et intégrés dans la grille
                 Un procédé de gravure optimisé pour chaque empilement de grille métallique
                 (W ou WN) : sélectivité métal/HfO2 > 60:1, profil quasi vertical et CD ~ 40 nm
                 Maîtrise de la fin d’attaque pour une bonne répétabilité
                 Contrôle de la contamination métallique




                      Poursuites de l’étude
                 Optimisation pour des motifs plus agressifs (CD < 40 nm)
                 Uniformité bord/centre    impact de la pression, des débits de gaz…
                 Utilisation de cette méthodologie pour la gravure d’autres métaux de grille
Perspectives
Conclusions




                                                                                               37
Conclusions et perspectives
                   Compréhension des mécanismes de gravure
                 Modèle de gravure proposé pour W et WN :
                 Les espèces ClO responsables de l’accroissement de la vitesse de gravure du
                 métal
                 Pour WOxN, la gravure du métal est également favorisée par la réaction de
                 l’oxygène avec l’azote pour former des espèces NOy
                 Lors de la gravure du W (WOxN) en Cl2/O2, un dépôt de type WO2 se forme
                 sur les flancs des motifs et sa vitesse de croissance dépend de la quantité
                 d’O2 dans le plasma
                 En Cl2 pur, la gravure du WN mène à un dépôt de type WNCl4


                      Poursuites de l’étude
                 Etude par spectrométrie de masse des plasmas Cl2/O2/fluor
                 Analyse XPS topographique chimique pour compléter la technique de
                 l’échantillon flottant
Perspectives
Conclusions




                                                                                          38
Merci pour votre attention




       Je remercie tous mes collègues du
CEA-LETI-Minatec, de STMicroelectronics et du LTM
Gravure partielle en CF4


                                          8000
                                                   C1s
                                          7000
                       Intensité (u.a.)   6000
                                          5000                                   W-C

                                          4000
                                          3000                            C-C

                                          2000                        C-CFx
                                                                CF
                                                          CF2
                                          1000     CF3

                                             0
                                             294   292    290   288    286      284    282   280
                                                         Energie de liaison (eV)
Perspectives
Conclusions




                                                                                                   40

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PhD Presentation

  • 1. Développement de procédés de gravure de grille métallique W, WN pour les nœuds technologiques sub-45 nm Thèse CIFRE STMicroelectronics Réalisée au CEA-LETI Thomas Morel Université Joseph Fourier Encadrant : Sébastien Barnola (CEA-LETI-Minatec) Directeur de thèse : Olivier Joubert (CNRS-LTM) 5 mai 2009
  • 2. Sommaire Contexte Introduction Objectifs de l’étude Dispositif expérimental La méthodologie de travail Les réacteurs de gravure Optimisation des procédés de gravure Caractérisation des matériaux Etude préliminaire Développement de chimies à base de Cl2/O2 Compréhension des mécanismes de gravure Analyse de surface par XPS Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse Analyse des couches de passivation Conclusions et perspectives
  • 3. Conclusions Compréhension Optimisation Dispositif Perspectives des mécanismes des procédés expérimental Contexte Qu’est-ce que la microélectronique ? 3
  • 4. Qu’est-ce que la microélectronique ? Contexte expérimental Dispositif des procédés Optimisation Deux grandes parties dans une puce Le back-end : interconnexions des mécanismes Compréhension Le front-end : dispositifs actifs Perspectives Conclusions Source : www.intel.com 4
  • 5. Le transistor MOS Contexte Transistor MOS ≡ Commutateur Diélectrique de grille expérimental Dispositif TOX Source : www.ibm.com des procédés Optimisation Pour la technologie 150 nm (2000) Longueur de grille L = 120 nm Tox (Epaisseur d’oxyde) = 1,9 nm des mécanismes Compréhension 10 ans Pour la technologie 45 nm (2010) Perspectives Conclusions 2300 transistors Longueur de grille L = 23 nm Tox équivalent = 0,65 nm 5
  • 6. Optimisation du transistor MOS Limiter les courants de fuite Eviter la déplétion de grille Contexte Remplacer l’oxyde de grille par un High-K Insérer une couche métallique entre la grille et le diélectrique de grille expérimental kSiO2 Dispositif k HK Cox = A × = A× TSiO2 THK Polysilicium Polysilicium Polysilicium Polysilicium des procédés Optimisation Déplétion Métal THK EOT SiO2 EOT SiO2 SiO2 High-K Substrat Si Substrat Si Substrat Si Substrat Si des mécanismes Compréhension SiO2 High-k Perspectives Conclusions Grille CMOS conventionnelle Grilles métalliques duales 6
  • 7. Introduction des métaux W et WN Contexte N+ W, WN W, WN MOCVD*: expérimental Dispositif CEA-LETI P+ H. Michaelson, JAP 48 p4729 (1977) des procédés Optimisation Avantages de W, WN Matériaux connus dans la microélectronique (ex : interconnexions) Grande stabilité thermique (température de fusion du W : 3422 ° C) des mécanismes Dépôt MOCVD pour éviter de dégrader le High-K Compréhension Les nouveaux problèmes liés à l’intégration du W, WN Besoin d’une couche TiN pour éviter la siliciuration du W (WN) lors du dépôt poly-Si Quel impact sur le poly-Si et le TiN et leur gravure ? Perspectives Conclusions Besoin de contrôler la contamination métallique après gravure nettoyage du réacteur * Metal Organic Chemical Vapor Deposition 7
  • 8. Objectifs de la gravure de grille métallique Contexte expérimental Dispositif Masque Poly-Si 1000 Å des procédés Optimisation TiN 100 Å W ou WN 100 Å High-K 30 Å Substrat Si des mécanismes Compréhension Compatibilité des chimies de gravure du poly-Si et du métal Sélectivité métal/high-k > 30:1 Perspectives Conclusions Aucun résidu métallique sur la grille 8
  • 9. Sommaire Contexte Introduction Objectifs de l’étude Dispositif expérimental La méthodologie de travail Les réacteurs de gravure Optimisation des procédés de gravure Caractérisation des matériaux Etude préliminaire Développement de chimies à base de Cl2/O2 Compréhension des mécanismes de gravure Analyse de surface par XPS Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse Analyse des couches de passivation Conclusions et perspectives
  • 10. Méthodologie de travail 6 6,0x10 Nombre de coups 6 4,0x10 6 2,0x10 W O 5 4x10 5 3x10 5 2x10 5 1x10 Cl expérimental 0 C+F Dispositif 0 50 100 150 300 350 400 Masse (u.m.a.) Caractérisation des Analyse de la phase dépôts sur les flancs gazeuse du plasma Masque (W -O 3) O W 14000 12000 Poly Intensité (u.a.) 10000 W-W des procédés Optimisation Poly Contrôle du Poly-Si 8000 6000 O-W-F TiN profil de grille 4000 (WOxFy) W-C 2000 W W5p3 TiN TiN 0 40 38 36 34 32 30 Energie de liaison (eV) 500 W ou WN W HfO2 Analyse de surface Vitesse de gravure (Å/min) des mécanismes WN Compréhension 400 Substrat Si 6 10 300 5 10 W 200 Intensité (u.a.) 10 4 WN W 100 3 10 2 0 10 Perspectives 0 10 20 30 40 Conclusions O2/(O2+Cl2) (%) Caractérisation 10 1 des matériaux 0 10 Détermination des vitesses de gravure 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Angle (° ) et des sélectivités métal/high-k 10
  • 11. Réacteurs de gravure 200 et 300 mm 2 réacteurs de type ICP (Inductively Coupled Plasma) expérimental Dispositif Plateforme 300 mm LAM Versys de LAM Research Plateforme 200 mm Centura d’Applied Materials des procédés Optimisation des mécanismes Compréhension Optimisation des procédés de Caractérisation des plasmas et gravure des matériaux par XPS et spectrométrie de masse* Perspectives Conclusions * Réacteur Centura 300 mm d’Applied Materials pour la spectrométrie de masse 11
  • 12. Sommaire Contexte Introduction Objectifs de l’étude Dispositif expérimental La méthodologie de travail Les réacteurs de gravure Optimisation des procédés de gravure Caractérisation des matériaux Etude préliminaire Développement de chimies à base de Cl2/O2 Compréhension des mécanismes de gravure Analyse de surface par XPS Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse Analyse des couches de passivation Conclusions et perspectives
  • 13. Caractérisation des métaux avant gravure Spectre W4f du W Spectre W4f du WN O-W-N Analyse en surface 1,2 W-W 12 Analyse en surface Intensité (u.a.) Intensité (u.a.) 0,8 8 W-O W-N 0,4 4 Analyse en profondeur Analyse en profondeur 0,0 0 40 38 36 34 32 30 40 38 36 34 32 30 des procédés Optimisation Energie de liaison (eV) Energie de liaison (eV) WOx WOxN W des mécanismes Compréhension W est légèrement oxydé en surface WN présente un taux d’oxygène élevé W est plus dense que WN (19 g.cm-3 contre 15 g.cm-3) Perspectives Conclusions Quelle conséquence sur l’intégration des métaux dans la grille ? 13
  • 14. Caractérisation des empilements de grille HfO2 HfO2 Poly-Si Poly-Si Observations TiN W Si TiNOy WOxN Si TEM 100 100 des procédés Optimisation 80 80 Intensité (u.a.) Intensité (u.a.) 60 60 Cartographie 40 40 de l’oxygène 20 20 des mécanismes Compréhension 0 0 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 Position (nm) Position (nm) Présence d’un oxyde natif à la surface de la couche de TiN Diffusion de l’oxygène de WOxN vers TiN pendant le dépôt de poly-Si/TiN ? Perspectives Conclusions Génère une couche de TiNOy dans le cas du WN 14
  • 15. Etude préliminaire : gravure des métaux 50 sccm X, 10 mTorr, 500 W (source), 0 à 100 V (tension de polarisation) 1600 1600 Vitesse de gravure (Å/min) Vitesse de gravure (Å/min) 1400 1400 SF6 SF6 1200 1200 1000 NF3 1000 800 800 NF3 WOxNy 600 W 600 CF4 Cl2 des procédés Optimisation 400 400 200 CF4 200 Cl2 HBr HBr 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Tension de polarisation (V) Tension de polarisation (V) des mécanismes Compréhension S. Ghandhi, VLSI Fabrication Principles, 2nd Edition. Wiley-Interscience, (1994) Inadaptée en HBr Gravure assistée par le bombardement ionique en Cl2 Gravure de nature chimique pour les plasmas fluorés Compétition entre dépôt d’espèces fluorocarbonées et gravure en CF4 Perspectives Conclusions Des vitesses de gravure plus élevées pour le WN 15
  • 16. Gravure du HfO2 et sélectivité W/HfO2 50 sccm X, 10 mTorr, 500 W (source), 30 à 100 V (tension de polarisation) Vitesse de gravure (Å/min) 160 450 140 400 CF4 CF4 Sélectivité W sur HfO2 120 350 Cl2 Cl2 300 100 NF3 NF3 250 80 SF6 SF6 200 60 150 40 100 20 50 des procédés Optimisation 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Tension de polarisation (V) Tension de polarisation (V) Vitesses de gravure dépendantes de l’énergie des ions appliquées à la surface des mécanismes Compréhension Sélectivité métal/high-k diminue fortement avec l’énergie des ions En chimie chlorée : tension de polarisation < 60 V En chimie fluorée : marge plus importante Perspectives Conclusions Fenêtre de procédé restreinte pour la gravure du W (WN) / HfO2 16
  • 17. Stratégie de gravure de grille Gravure poly-Si • SF6/CH2F2/N2/He Masque Passivation CFx • HBr/O2/He Arrêt sur TiN des procédés Optimisation Poly-Si 1000 Å • HBr/He Surgravure TiN 100 Å W ou WN 100 Å High-K 30 Å Gravure des métaux des mécanismes Compréhension Substrat Si Comment intégrer la gravure métallique dans la gravure de grille ? Perspectives Conclusions 17
  • 18. Limitations des chimies classiques TiNOy - WOxN : Cl2-NF3 TiNOy - WOxN : SF6-CH2F2 Poly-Si Poly-Si des procédés Optimisation TiNOy + WOxN TiNOy + WOxN 75 nm 75 nm Mise en évidence des nouvelles contraintes : des mécanismes Compréhension Préserver le profil vertical dans le polysilicium Obtenir un profil vertical de la bicouche métallique Obtenir une sélectivité métal/high-k suffisamment élevée Perspectives Conclusions Compromis impossible, besoin de développer une autre stratégie 18
  • 19. Utilisation de la chimie Cl2/O2 pour W et WN H. Lee et al., Materials Science in Semiconductor Processing 8, p602 (2005) La vitesse de gravure du W, WN augmente avec l’ajout d’O2 création de produits de gravure plus volatils de type WOClx La sélectivité W (ou WN)/polysilicium augmente avec l’ajout d’O2 W WN des procédés Optimisation Poly-Si Technolgie DRAM (Dynamic Random Access Memory) des mécanismes Compréhension J. Chen et al., JVSTA 22, p1552 (2004) La vitesse de gravure des high-k diminue avec l’ajout d’O2 (ré-oxydation des produits de gravure de type HfO) Perspectives Conclusions 19
  • 20. Etudes des cinétiques de gravure du W, WN et HfO2 80 sccm (Cl2+O2), 5 mTorr, 450 W (source), 30 V (tension de polarisation) 500 12 Vitesse de gravure (Å/min) Vitesse de gravure (Å/min) WN 10 400 8 300 6 200 HfO2 4 W 100 2 des procédés Optimisation 0 0 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 O2/(O2+Cl2) (%) O2/(O2+Cl2) (%) Concernant W et WN, 2 régimes: des mécanismes Compréhension La vitesse de gravure des métaux augmente avec l’ajout d’O2 La gravure est stoppée au-delà d’un certain pourcentage La vitesse de gravure de HfO2 est négligeable voire nulle sélectivité métal/HfO2 quasi-infinie Perspectives Conclusions Quel profil du métal associé à ces sélectivités métal/high-k élevée ? 20
  • 21. Profil du WN dans les plasmas Cl2/O2 Profil vertical du TiNOy en Cl2 (présence d’oxygène dans la couche) WOxN gravé dans un plasma de Cl2/O2 avec un débit total de 80 sccm Cl2 Cl2/O2 5% Cl2/O2 20% Poly Poly Poly des procédés TiNOy TiNOy TiNOy Optimisation WOxN WOxN WOxN 50 nm des mécanismes Compréhension Contrôle du profil du WN avec 5% d’O2 dans Cl2/O2 Perspectives Conclusions 21
  • 22. Profils du W dans les plasmas Cl2/O2 Profil vertical du TiN in Cl2/HBr W gravé dans un plasma de Cl2/O2 avec un débit total de 80 sccm 30% O2 no O2 10% O2 20% O2 30% O2 Poly Poly des procédés Optimisation TiN W TiN W 75nm des mécanismes Compréhension Sans O2 : le TiN est gravé latéralement par le chlore pendant la gravure du W Augmentation de la concentration d’O2 dans Cl2/O2 : Diminution de la gravure latérale du TiN Augmentation du dépôt sur les flancs des motifs Perspectives Conclusions Comment contrôler ce dépôt sur les flancs des motifs ? 22
  • 23. Impact du fluor sur la gravure du métal et du high-k 80 sccm (Cl2+O2) + X sccm NF3, 5 mTorr, 450 W (source), 30 V (tension de polarisation) 800 14 Vitesse de gravure (Å/min) 15 sccm NF3 15 sccm NF3 W Vitesse de gravure (Å/min) 12 600 10 8 400 6 HfO2 4 200 des procédés 7 sccm NF3 Optimisation 2 sans NF3 sans NF3 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 O2/(O2+Cl2) (%) O2/(O2+Cl2) (%) des mécanismes Compréhension Comportement identique avec l’ajout de fluor Décalage de la limite avant la diminution de la vitesse de gravure de W Vitesse de gravure négligeable de HfO2 sélectivité W/HfO2 > 60 : 1 Perspectives Conclusions 23
  • 24. L’ajout du fluor pour le contrôle des couches de passivation Gravure du TiN en Cl2/HBr Gravure du W en Cl2/O2 30% + NF3 30% O2 7sccm NF3 11sccm NF3 15sccm NF3 des procédés Optimisation pente léger Notch + 75nm notch Attaque poly des mécanismes Compréhension Ajout de NF3: contrôle le profil de W (légère pente à profil rentrant) Avec un débit NF3 trop élevé : gravure du pied du polysilicium Perspectives Conclusions 24
  • 25. Développement de procédés de gravure de grille : conclusion Poly-Si Développement d’un procédé WOxN TiNOy TiNOy de gravure en WOxN WOxN Cl2/O2 75 nm Sélectivité WN/HfO2 infinie des procédés Optimisation W, WN après W, WN intégrés Gravure des dépôt pleine dans les grilles métaux en plaque métalliques Cl2 pur des mécanismes Compréhension WOx Poly-Si Besoin d’une forte quantité W TiN d’O2 et ajout W W de fluor léger notch Gravure Perspectives Conclusions latérale Sélectivité du TiN W/HfO2 > 60:1 25
  • 26. Sommaire Contexte Introduction Objectifs de l’étude Dispositif expérimental La méthodologie de travail Les réacteurs de gravure Optimisation des procédés de gravure Caractérisation des matériaux Etude préliminaire Développement de chimies à base de Cl2/O2 Compréhension des mécanismes de gravure Analyse de surface par XPS Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse Analyse des couches de passivation Conclusions et perspectives
  • 27. Impact des plasmas Cl2/O2 sur la surface de W 100 sccm (Cl2+O2), 5 mTorr, 300 W (source), 24 W (puissance de polarisation) 300 Vitesse de gravure (Å/min) 2.8% W Cl W Cl 200 100 O 5.64% W 0 des mécanismes Compréhension 0 10 20 30 40 50 O2/(O2+Cl2) (%) En régime de gravure : couche réactive en surface négligeable. Au-delà de 35% d’O2 : création d’une couche d’oxyde métallique de type WO2 Perspectives Conclusions la gravure du métal est stoppée 27
  • 28. Impact des plasmas Cl2/O2 sur la surface de W 100 sccm (Cl2+O2) + 5 sccm SF6, 5 mTorr, 300 W (source), 24 W (puissance de polarisation) 800 Vitesse de gravure (Å/min) 15 sccm NF3 600 12.8% O Cl F 11.7% 400 W 57.8% O 200 5.64% W sans NF3 0 des mécanismes Compréhension 0 10 20 30 40 50 60 O2/(O2+Cl2) (%) La composante WO2 disparaît Création d’une couche réactive WOxFy Perspectives Conclusions régime de gravure 28
  • 29. Impact des plasmas de Cl2/O2 sur la surface de WOxN 100 sccm (Cl2+O2), 5 mTorr, 300 W (source), 24 W (puissance de polarisation) O 34.7% 500 22.2% O 21.7% Vitesse de gravure (Å/min) N Cl N 24.6% Cl 400 W W 300 200 O 100 Cl 8.06% W des mécanismes Compréhension 0 0 10 20 30 O2/(O2+Cl2) (%) En régime de gravure : apparition d’une couche réactive de type WOxCly riche en chlore Perspectives Conclusions Au-delà de 10% d’O2 : oxydation métallique du WN, la gravure est stoppée 29
  • 30. Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse 6 4,5x10 6 4,0x10 6 3,5x10 Intensité (u.a.) 6 3,0x10 + + Cl O2 6 2,5x10 ClO + Cl2 + 6 + + 2,0x10 Cl2O ClO2 6 1,5x10 6 1,0x10 5 5,0x10 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 des mécanismes Compréhension O2/(O2+Cl2) (%) Deux espèces ioniques majoritaires : Cl2+ et ClO+ Perspectives Quelle espèce ionique a un rôle prépondérant sur l’augmentation Conclusions de la gravure du W (WN) dans les plasmas Cl2/O2 ? 30
  • 31. Analyse des plasmas Cl2/O2 pendant la gravure du W Les espèces responsables de la gravure du W 250 Vitesse de gravure (Å/min) 160 15% Vitesse de gravure (Å/min) 140 200 120 150 100 3% m 80 cc cm 100 0s 60 sc m cm 11 cc 80 40 50 sc 1s 20 80 11 0 0 6 6 6 6 6 0 1x10 2x10 3x10 4x10 5x10 Cl2 Cl2-O2 10% des mécanismes Compréhension + Intensité ClO (u.a.) ClO+ accélère la réaction à la surface du W L’augmentation de la vitesse de gravure du W semble résulter principalement de la synergie entre les ions ClO+ et les neutres ClO Perspectives Conclusions Travaux de C. C. Hsu sur la gravure du Ru en Cl2/O2 C. C. Hsu et al., JVSTA 24, p1 (2006) 31
  • 32. Analyse des plasmas Cl2/O2 pendant la gravure du WOxN + + Cl NO 6 5 + + 3,5x10 Cl + NO + 6x10 NO 2 NCl + + + + 6 NO2 NCl NCl2 Cl3 3,0x10 + + 5x10 5 NCl2 ClO Intensité (u.a.) 6 + + 2,5x10 Cl2 Cl3 5 Intensité (u.a.) 4x10 6 2,0x10 5 3x10 6 1,5x10 5 6 2x10 1,0x10 5 5,0x10 5 1x10 0,0 0 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 O2/(O2+Cl2) O 2/(O 2+Cl2) des mécanismes Compréhension ClO+ responsable de l’augmentation de la vitesse de gravure du WN Réaction appuyée par la réaction de l’azote avec le chlore et l’oxygène du plasma Perspectives Conclusions 32
  • 33. XPS sur échantillon flottant La technique de l’échantillon flottant : l’échantillon d’Al2O3 flottant, fixé sur la plaque par des rouleaux de Kapton™, présente le même comportement que les murs du réacteur Energie des ions ~ 15 eV : dépôt Energie des ions > 100 eV Echantillon d’Al2O3 ≡ Surface des gravure murs du réacteur Echantillon surélevé W ou WN Plaque de α-C O. Joubert et al. JVSTB 22 p553 (2007) RF bias XPS des mécanismes Compréhension Polymères sur les flancs •Nature chimique du dépôt sur l’échantillon flottant ≡ de la grille pendant la Perspectives Conclusions gravure plasma 33
  • 34. Analyse des couches de passivation dans le cas du W Echantillon Pas de Al2O3 Cl C Cl22 Cl dépôt Dépôt de Al2O3 Ech W-O Cl O C Cl2/O2 10%10% Cl2/O2 WO2 00 20 20 40 40 60 60 80 80 100 100 Element concentration (at %) Cl2/O2 10-30% Dépôt WO2 Dépôt WO2 W-O Cl OO-W-F F Cl2/O2 2 10% 2 30% Cl2/O Cl2/O 10-30% 30% Ech 2O3 Al supprimé épais + + SF6 + SF6 fluor des mécanismes Compréhension 00 20 20 40 40 60 60 80 80 100 100 Element concentration (at %) Ajout d’O2 : déposition de WO2 d’où la pente dans le W Ajout élevé d’O2 : augmentation du dépôt de type WO2 Perspectives Conclusions Ajout de fluor : élimination du WO2 et profil vertical du W 34
  • 35. Analyse des couches de passivation dans le cas du WOxN Poly Echantillon W C Cl2 Dépôt TiNOy N Cl WNCl4 WNOx 0 20 40 60 80 100 Element concentration (at %) Poly Léger dépôt TiNOy Ech W O Cl2/O2 5% WNOx WO2 Dépôt WO2 Ech W Cl O Cl2/O2 20% épais des mécanismes Compréhension En Cl2 pur : dépôt de type WNCl4 Ajout d’O2: réaction de l’oxygène avec l’azote pour créer des produits de Perspectives Conclusions gravure volatils de type NOx et NCly le dépôt WNCl4 est supprimé Ajout élevé d’O2 : augmentation du dépôt de type WO2 35
  • 36. Sommaire Contexte Introduction Objectifs de l’étude Dispositif expérimental La méthodologie de travail Les réacteurs de gravure Optimisation des procédés de gravure Caractérisation des matériaux Etude préliminaire Développement de chimies à base de Cl2/O2 Compréhension des mécanismes de gravure Analyse de surface par XPS Analyse des plasmas Cl2/O2 par spectrométrie de masse Analyse des couches de passivation Conclusions et perspectives
  • 37. Conclusions et perspectives Optimisation des procédés de gravure Caractérisation des matériaux W et WN après dépôt et intégrés dans la grille Un procédé de gravure optimisé pour chaque empilement de grille métallique (W ou WN) : sélectivité métal/HfO2 > 60:1, profil quasi vertical et CD ~ 40 nm Maîtrise de la fin d’attaque pour une bonne répétabilité Contrôle de la contamination métallique Poursuites de l’étude Optimisation pour des motifs plus agressifs (CD < 40 nm) Uniformité bord/centre impact de la pression, des débits de gaz… Utilisation de cette méthodologie pour la gravure d’autres métaux de grille Perspectives Conclusions 37
  • 38. Conclusions et perspectives Compréhension des mécanismes de gravure Modèle de gravure proposé pour W et WN : Les espèces ClO responsables de l’accroissement de la vitesse de gravure du métal Pour WOxN, la gravure du métal est également favorisée par la réaction de l’oxygène avec l’azote pour former des espèces NOy Lors de la gravure du W (WOxN) en Cl2/O2, un dépôt de type WO2 se forme sur les flancs des motifs et sa vitesse de croissance dépend de la quantité d’O2 dans le plasma En Cl2 pur, la gravure du WN mène à un dépôt de type WNCl4 Poursuites de l’étude Etude par spectrométrie de masse des plasmas Cl2/O2/fluor Analyse XPS topographique chimique pour compléter la technique de l’échantillon flottant Perspectives Conclusions 38
  • 39. Merci pour votre attention Je remercie tous mes collègues du CEA-LETI-Minatec, de STMicroelectronics et du LTM
  • 40. Gravure partielle en CF4 8000 C1s 7000 Intensité (u.a.) 6000 5000 W-C 4000 3000 C-C 2000 C-CFx CF CF2 1000 CF3 0 294 292 290 288 286 284 282 280 Energie de liaison (eV) Perspectives Conclusions 40