Gravure en plasma dense fluorocarbon

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Gravure en plasma dense fluorocarboné de
matériaux organosiliciés à faible constante
diélectrique (SiOCH, SiOCH poreux). Etude dun
procédé de polarisation pulsée

• Vanessa RABALLAND
• 5 juillet 2006
• Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes,
  Plasmas et Couches Minces
• Encadrée par Christophe CARDINAUD et Gilles CARTRY

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Application en microélectronique
Introduction

• Augmenter lintégration diminuer la taille des
  transistors et des interconnexions
• Augmenter la fréquence des microprocesseurs
  diminuer le temps de transfert des données

3
Réduction déchelle
Introduction

• Diminuer la résistivité du métal ? Al ? Cu

4
Réduction déchelle
Introduction

• Diminuer la résistivité du métal ? Al ? Cu

• Diminuer la capacité entre les lignes
  métalliques en
• diminuant la constante diélectrique ?r du
  matériau isolant
• ? SiO2 (?r4,1) ? SiOCH (?r2,9) ? SiOCH poreux
  (?r2,2)

5
Intégration des interconnexions Procédé
damascène

• Dépôt et Gravure du diélectrique
• Remplissage de cuivre

Introduction
Lithographie de la ligne
Gravure des vias
Résine
Masque dur
Diélectrique
Couche darrêt de gravure
Gravure de la ligne
Cuivre
Retrait résine et couches darrêt
Dépôt de cuivre
6
Intégration des interconnexions Procédé
damascène

• Dépôt et Gravure du diélectrique
• Remplissage de cuivre

Introduction
Lithographie de la ligne
Gravure des vias
Résine
Masque dur
Diélectrique
Couche darrêt de gravure
Gravure de la ligne
Cuivre
Retrait résine et couches darrêt
Dépôt de cuivre
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Intégration des interconnexions Procédé
damascène

• Dépôt et Gravure du diélectrique
• Remplissage de cuivre

Introduction
Lithographie de la ligne
Gravure des vias
Résine
Masque dur
Diélectrique
Couche darrêt de gravure
Gravure de la ligne
Cuivre
Retrait résine et couches darrêt
Dépôt de cuivre
? Graver de façon anisotrope et sélective vis à
vis du masque ou de la couche darrêt de gravure
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Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
9
Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
Produits volatiles
10
Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
Caractéristiques demandées Paramètres ajustables
Vitesse de gravure (200 nm/min) Sélectivité/ masque dur et couche darrêt (gt10) Anisotropie Mélange de gaz Flux dions Energie des ions
11
Gravure par plasma du matériau diélectrique
Introduction
Caractéristiques demandées Paramètres ajustables
Vitesse de gravure (200 nm/min) Sélectivité/ masque dur et couche darrêt (gt10) Anisotropie Mélange de gaz Flux dions Energie des ions Pulse de la tension de polarisation
12
Réacteur de gravure
Introduction
13
Réacteur de gravure
Introduction
14
Réacteur de gravure
Introduction
15
But de létude et plan de lexposé

• Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
• de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH

• Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
• Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
• Compréhension du procédé de gravure pulsée
• Conclusion et perspectives

16
But de létude et plan de lexposé

• Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
• de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH

Polarisation pulsée

• Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
• Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
• Compréhension du procédé de gravure pulsée
• Conclusion et perspectives

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Gravure en plasma de CHF3 Polarisation continue
gravure
dépôt
1500 W 5 mTorr CHF3 40 sccm
Polarisation pulsée

• Pourquoi pulser ?

18
Pourquoi pulser la tension de polarisation ?
gravure
dépôt
1500 W 5 mTorr CHF3 40 sccm
Polarisation pulsée

• Pourquoi pulser ?

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Influence des paramètres de pulse sur les
vitesses de gravure
Polarisation pulsée

• Diminution de la vitesse de gravure

• Décalage du seuil dépôt-gravure

• Paramètres de pulse

• Fréquence

? Peu dinfluence
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Vitesse de gravure et sélectivité en CHF3 avec
polarisation pulsée
continu
Polarisation pulsée
rc1

• Gravure en polarisation pulsée

continu
21
Influence du plasmaAddition dArgon à CHF3
CHF3/Ar (50-50)
Polarisation pulsée
SiOCH poreux

• Gravure en polarisation pulsée

• Sélectivité SiOCH poreux / SiCH
• rc0.50 peu damélioration / mode continu
• rc0.25 sélectivités plus élevées

Sélectivité SiOCH poreux / SiO2 rc0.50
pas damélioration / mode continu rc0.25
séléctivités améliorées
22
Influence du plasmaAddition dhydrogène à CHF3
CHF3/H2 (75-25)
Polarisation pulsée
SiOCH poreux

• Gravure en polarisation pulsée

Sélectivité SiOCH poreux / SiCH Peu
damélioration entre les modes continu et pulsé à
rc0,50 Augmentation de la sélectivité à
rc0.25 Sélectivité SiOCH poreux / SiO2
Augmentation de la sélectivité en diminuant le
rapport cyclique
23
Transfert de motifs
CHF3

• Anisotropie, transfert de motifs correct lorsque
  la tension de polarisation est pulsée

Polarisation pulsée
rc0,25 170V 90nm/min

• Transfert de motifs

L300nm E200/400/600nm

• diminution du phénomène dARDE

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Bilan sur le procédé  polarisation pulsée 
Polarisation pulsée

• En diminuant le rapport cyclique
• Décalage du seuil dépôt-gravure vers les plus
  fortes énergies des ions
• différenciation du seuil entre SiOCH
  poreux et SiO2 ou SiCH
• ? Amélioration de la sélectivité de gravure SiOCH
  poreux/SiCH et SiOCH poreux/SiO2

• En polarisation pulsée
• Transfert de motifs réalisable
• Diminution du phénomène dARDE

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But de létude et plan de lexposé

• Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
• de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH

• Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
• Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
• Compréhension du procédé de gravure pulsée
• Conclusion et perspectives

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But de létude et plan de lexposé

• Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
• de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH

• Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
• Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
• Compréhension du procédé de gravure pulsée
• Conclusion et perspectives

Mécanismes de gravure
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Comparer les mécanismes de gravure en
polarisation pulsée et continue

• En polarisation pulsée le plasma est inchangé
  / mode continu
• Seule lénergie des ions varie

Mécanismes de gravure
28
SiCH Modèle de surface et mécanisme de gravure

• Eon04
• Modèle bi-couche - couche CFx
• - couche dinteraction SiFx

• Epaisseur CFx limite la diffusion du fluor du
  
• plasma vers SiCH

Mécanismes de gravure

• SiCH

D. Eon, Thèse de doctorat, Université de Nantes,
2004
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SiCH Modèle de surface et mécanisme de gravure

• En polarisation continue
• ? Présence de CFx, SiFx
• ? Epaisseur CFx importante (3nm) limite la
  gravure

• En polarisation pulsée
• ? Peu de variations
• ? Epaisseur CFx importante limite la gravure de
  SiCH

? Modèle de surface SiCH identique en
polarisation continue et pulsée
Mécanismes de gravure

• SiCH

Plasma CHF3/Ar (50-50) 1500W 5mTorr 200V
30
SiO2 Modèle de surface et mécanisme de gravure

• Deux régimes de gravure Oehrlein94Gaboriau05
• Faible énergie des ions Epaisseur CFx
  importante limite la diffusion du fluor du plasma
  vers SiO2
• Forte énergie des ions Epaisseur CFx faible non
  limitante ? Composition du plasma

Mécanismes de gravure

• SiO2

Oehrlein et al., J. Vac. Sci. Technol. A 12,
p.333, 1994 Gaboriau et al., J. Vac. Sci.
Technol. A 23, p.226, 2005
31
SiO2 Modèle de surface et mécanisme de gravure

• En polarisation continue
• ? Présence de CFx faible diminution Si 2p
• ? Epaisseur CFx faible (1nm) non limitante

• En polarisation pulsée
• ? Augmentation des CFx faible diminution Si
  2p
• ? Epaisseur CFx faible non limitante

Mécanismes de gravure
? Modèle de surface SiO2 identique en
polarisation continue et pulsée

• SiO2

Plasma CHF3/Ar (50-50) 1500W 5mTorr 200V
32
SiOCH poreux Modèle de surfaceanalyse XPS

• En polarisation continue
• ? Présence de CFx
• ? Pic Si 2p sensible élargissement

• En polarisation pulsée
• ? Forte augmentation des composantes CFx
• ? Pic Si 2p inchangé

? Pas de couche dinteraction, présence de CFx
Mécanismes de gravure

• SiOCH poreux

Plasma CHF3/Ar (50-50) 1500W 5mTorr 200V
33
SiOCH poreux Modèle de surfaceanalyse XPS
angulaire

• En polarisation continue ET pulsée
• F et CFx présents sur toute
• lépaisseur sondée
• Pas de gradient de concentration dans lépaisseur
  sondée

Mécanismes de gravure
Possémé04 Diffusion despèces CFx dans le
matériau poreux

• SiOCH poreux

• Gravure Compétition entre la formation de la
  couche modifiée (SiOCHCFx) et la gravure du
  matériau poreux

Possémé et al., J. Vac. Sci. Technol. B 22,
p.2772, 2004
34
SiOCH poreux Modèle de surface

• MEB ? surface rugueuse après gravure en
  polarisation continue ou pulsée

Mécanismes de gravure

• Plasma polymérisant et faible énergie des ions
  favorisent le dépôt CFx

• SiOCH poreux

35
SiOCH poreux / SiOCH dense
Mécanismes de gravure

• Gravure du matériau poreux plus efficace que
  celle du matériau dense en polarisation continue
  ET pulsée

• SiOCH poreux

• Sankaran03
• Morphologie (porosité, diamètre des pores)
  favorise la pulvérisation du matériau

Sankaran et al. Appl. Phys. Lett. 82(12) 2003
36
Bilan sur les mécanismes de gravure en
polarisation pulsée

• En polarisation pulsée
• Le plasma est inchangé
• Les modèles de surface des différents matériaux
  sont identiques en polarisation continue et
  pulsée

• Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
  similaires à ceux en polarisation continue

Mécanismes de gravure

• ? MAIS le procédé de gravure diffère
• diminution des vitesses de gravure en diminuant
  le rapport cyclique
• décalage du seuil dépôt-gravure vers les plus
  fortes énergies des ions

• Comment fonctionne le procédé de gravure en
  polarisation pulsée ?

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But de létude et plan de lexposé

• Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
• de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH

• Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
• Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
• Compréhension du procédé de gravure pulsée
• Conclusion et perspectives

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But de létude et plan de lexposé

• Etudier un nouveau procédé de gravure sélective
• de SiOCH poreux vis à vis de SiO2 et SiCH

• Etude dun nouveau procédé polarisation pulsée
• Mécanismes de gravure en polarisation pulsée
• Compréhension du procédé de gravure pulsée
• Conclusion et perspectives

Procédé pulsé
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Etape de gravure en polarisation pulsée
A basse fréquence
Procédé pulsé

• Modélisation

40
Etape de gravure en polarisation pulsée
A basse fréquence
CFx
Si
Phase 1 dépôt FC
1
Procédé pulsé

• Modélisation

41
Etape de gravure en polarisation pulsée
A basse fréquence
CFx
Si
Phase 1 dépôt FC
1
2
Phase 2 gravure FC
Procédé pulsé
xT

• Modélisation

42
Modélisation de la vitesse de gravure en
polarisation pulsée
Procédé pulsé

• Modélisation

43
Modélisation de la vitesse de gravure en
polarisation pulsée
Schaepkens et al. JVST B 18, 2000

• le modèle prédit le décalage du seuil
  dépôt-gravure
• MAIS
• seuils sur-estimés
• vitesses de gravure sous-estimées
• même observation pour les autres matériaux
  SiO2, SiCH

modèle
Procédé pulsé

• Modélisation

44
Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

45
Caractérisation de la couche CFx à la surface des
matériaux épaisseur

• CHF3/H2 et CHF3/Ar, lépaisseur CFx est
  constante sur tous les matériaux

Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

46
Caractérisation de la couche CFx à la surface des
matériaux composition
CHF3/H2 (75-25)

• Diminution du rapport cyclique
• Augmentation du rapport F/C de la couche CFx
• Gravure du film CFx plus facile épaisseur CFx
  varie peu/ continu
• Gravure du matériau plus efficace lorsque la
  couche CFx est plus riche en fluor

CHF3/Ar (50-50)

• SiOCH poreux comportement différent
• Couche CFx très fluorée

Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

47
Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

48
Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

49
Correction sur la vitesse de gravure à travers un
film CFx plus fluoré
Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

50
Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé
c/ la gravure du matériau ne sopère que
pendant la phase 3 MAIS le dépôt formé
pendant la phase 1 est mince et ne bloque pas la
gravure du matériau pendant la phase 2

• Amélioration du modèle

51
Vitesse de gravure du matériau pendant TON
1
2
3
1
2
3
Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

52
Hypothèses de non-validité du modèle
Procédé pulsé
c/ la gravure du matériau ne sopère que
pendant la phase 3 MAIS le dépôt formé
pendant la phase 1 est mince et ne bloque pas la
gravure du matériau pendant la phase 2

• Amélioration du modèle

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Validation du modèle de gravure en polarisation
pulsée

• pour SiO2 et SiCH, le modèle prédit correctement
  seuil et vitesse de gravure

Procédé pulsé

• pour SiOCH poreux, les vitesses de gravure sont
  sous-évaluées

• Amélioration du modèle

54
Modèle de gravure en polarisation pour SiOCH
poreux
d/ La gravure du matériau peut sopérer
spontanément pendant une fraction de temps à
lextinction du pulse
? modèle en meilleur accord avec lexpérience
Procédé pulsé

• Amélioration du modèle

55
Bilan sur le modèle de gravure en polarisation
pulsée

• Le procédé de gravure nest pas une simple
  succession des étapes de
• dépôt FC TOFF
• gravure FC xT
• gravure du matériau TON-xT

• La gravure en polarisation pulsée sopère
• dès le début du temps TON
• à travers un film FC plus fluoré / polarisation
  continue
• pendant une fraction de temps supplémentaire à
  
• lextinction du pulse (selon les matériaux)

Procédé pulsé
56
Conclusion et perspectives
Conclusion