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La gravure par plasma
Parmi les étapes technologiques présentées ci-dessu, nous allons nous intéresser plus particulièrement à la gravure [10]. On distingue classiquement deux types de gravure :
· la gravure par voie humide, qui consiste à utiliser un bain chimique pour con sommer le matériau à graver.
· la gravure par voie sèche, qui consiste à utiliser un plasma pour graver le matériau.
Ces deux voies de gravure ont chacune leurs intérêts et leurs inconvénients. Cependant, depuis les années 90, la gravure par voie sèche a pris le dessus, et correspond à la majorité des procédés de gravure.
Pour comprendre la gravure par voie sèche, il est important de définir tout d’abord ce qu’est un plasma.
Qu’est-ce qu’un plasma ?
On appelle plasma un milieu gazeux ionisé, globalement neutre, qui contient des ions (positifs ou négatifs),des électrons, et des espèces neutres (molécules, atomes, radicaux), qui sont soumis à des interactions collectives. Le terme de plasma a été proposé en 1928 par lehysicienp
Irving Langmuir pour décrire un gaz composé d’ions,d’électrons et de particules neutres présentant
ème
un comportement collectif [11]. Le plasma est connu comme étant le 4 état de la matière, et représente plus de 99 % de la matière connue dans ’universl.
On distingue plusieurs catégories de plasma suivant leur taux de dissociation et la température de leurs ions :
· Les plasmas « chauds » ont une température supérieure à 50 000 K. Ce typede plasma est utilisé par exemple pour la fusion nucléaire.
· Les plasmas « froids » ont une température inférieure à 50 000 K. Ces plasmas sont typiquement utilisés pour les applications microélectroniques, dans les tubes fluorescents (néons), dans les écrans plasmas …
Parmi les plasmas froids, on distingue encore deux sous-familles :
o les plasmas thermiques où toutes les espèces ont la même température (arcs électriques, torches plasma …)
o les plasmas hors équilibre thermique, pour lesquels la température électronique (de l’ordre de 100 000 K) est très supérieure à la température des ions et des neutres (de l’ordre de la température ambiante, c’est-à-dire 300 K).
En microélectronique, on utilise des plasmas froids, hors équilibre thermique. Sur la photo de la figure 1.3, on peut voir un plasma de gravure.
Les mécanismes de gravure
La gravure par plasma est basée sur une synergie entre les ions et les neutres du plasma. J. Coburn et H. F. Winters ont mis en évidence cette synergie en 1979 [12,13]. Deux types de gravure aux effets complémentaires sont mis en jeu:
· la gravure chimique : qui correspond à l’action des espèces neutres.
· la gravure physique : qui est régie par le bombardement énergétique etdirectionnel des ions.
La gravure chimique
Elle ne dépend que de l’interaction entre le matériau à graver et les espèces réactives générées dans le plasma. Cette réaction de gravurespontanéen’est possible que si la réaction est thermodynamiquement réalisable, c’est-à-dire si le bilan énergétique de la réaction de gravure est exothermique. Le mécanisme d’une gravure chimique peut se décomposer en quatre étapes élémentaires décrites ci-après et appuyées sur l’exemple de la gravure du silicium par un plasma à base de CF4 [15,16] :
· création d’espèces chimiquement réactives dans le lasmap ex : CF4 + e- CF3 + F + e-
· adsorption des espèces réactives à la surface ex : Si + F SiF
· formation des produits de réactions volatils, ex : 4 F + Si SiF4
· désorption et pompage hors de l’enceinte
Le matériau à graver (Si) est donc consommé par lesneutres réactifsdu plasma (F), et forme des produits de gravure volatils (SiF4) qui sont supprimés par le pompage. Comme on a enlevé une partie du matériau, celui-ci a été gravé.
Il est important que les produits de gravure (SiF4) soient volatils et stables afin qu’ils puissent rapidement quitter la surface, puis être vacués du milieu par le système de pompage. Le gaz, ou le mélange de gaz, est donc choisi en fonction du matériau à graver, pour que les produits de gravure soient volatils et stables. Par exemple, les chimies à base de fluorocarbones sont utilisées dans la gravure de l’oxyde de silicium, car elles permettent la formation de produits de réactions volatils tels que SiF2, SiF4, CO et CO2 [17].
La gravure physique
La gravure physique correspond à la pulvérisationdu matériau, lorsqu’il est bombardé par des ions fortement énergétiques (de l’ordre de la entainec de volts). Lorsque les ions entrent en collision avec les atomes de la surface, ces derniers peuvent gagner assez d’énergie sous l’impact ionique pour quitter la surface de l’échantillon. Cette gravure est aussi appelée pulvérisation physique par bombardement ionique.
Sigmund [19] est un des premiers à avoir proposé un modèle pour la pulvérisation. Les ions extraits du plasma et accélérés vers la surface arrivent sur celle-ci avec une certaine énergie. Lorsde l’interaction ion/surface, l’ion est neutralisé. S’il s’agit d’un ion moléculaire, il se fragmente en répartissant son énergie entre ses différents fragments en fonction de leur masse. Par exemple, un ion CF+ (31 uma puisque C a une masse de 12 uma et F 19 uma) qui atteint la surface avec une énergie de 100 eV se fragmente en un atome C de 39 eV (100*12/31) et un atome F de 61 eV (100*19/31). Les principaux phénomènes résultant del’impact d’un ion sur la surface sont généralement classés en fonction de l’énergie deespècel’ incidente :
– Migration d’atomes adsorbés : Ei ~ 0,01 à 0,2 eV,
– Désorption d’espèces: Ei ~ 0,1 à 10 eV,
– Déplacement d’atomes : Ei > 10 eV,
– Pulvérisation: Ei > Eseuil ~ 20 à 50 eV.
Le seul mécanisme conduisant directement à une gravure est donc la pulvérisation, lorsque les ions sont assez énergétiques. Ce processus estdéfini par un rendement (nombre d’atomes éjectés par ion incident) qui suit théoriquement relation suivante [20,21] : Y = A [ E i – E seuil ] pour Ei > Eseuil
Le facteur de proportionnalité A et l’énergie seuil(Eseuil) dépendent du matériau, de l’état de la surface, de la masse et de l’angle d’incidence des ions. Il faut cependant noter que les variations sont relativement faibles, et donc que les matériaux sont consommés avec des rendements de pulvérisation très proches. La gravure en plasma degaz rare (argon par exemple) est un exemple type de gravure physique. La figure 1.4 illustre le phénomène de pulvérisation physique.
Les autres processus induits par les ions cités ci-dessus ne gravent pas directement le matériau. Ils peuvent par contre participer à la gravure par l’action combinée avec une attaque chimique.
La gravure par plasma
La gravure par plasma combine les effets des gravures chimique et physique. Ainsi, les vitesses obtenues par la gravure par plasma peuvent être 10 à 30 fois supérieures aux vitesses obtenues par les gravures chimique ou physique séparément, d’où l’intérêt d’utiliser les plasmas pour la fabrication des circuits intégrés.
La synergie ions (action physique du plasma)/ neutres (aspect chimique du plasma) se traduit par plusieurs mécanismes de gravure :
La gravure chimique assistée par les ions ou gravure chimique réactive.
Ce mécanisme de gravure a été évoqué la premièreis fopar J. Coburn et H. F. Winters [12]. C’est un processus par lequel les ions accélèrent esl cinétiques de gravure des étapes élémentaires de la gravure chimique :
· adsorption : le bombardement ionique favorise l’incorporation d’espèces réactives dans la couche de surface,
· réaction: en créant des défauts de structures et des liaisons pendantes à la surface, le bombardement ionique augmente la probabilité de réaction des molécules gazeuses incidentes. De plus, l’apport énergétique par les onsi accroît les réactions chimiques (migration des atomes adsorbés, activation des espèces en surface…)
· désorption: le bombardement ionique stimule la désorption des produits de réaction, pulvérise des espèces faiblement liées, et « nettoi» la surface d’espèces inhibitrices de gravure ou de précurseur de dépôt.
Ce modèle de gravure ne considère que l’impact physique du bombardement, et peut être utilisable pour la gravure avec un faisceau d’ions inertes (gaz rare) en présence d’espèces neutres réactives.
La gravure physique assistée chimiquement.
Mauer et al ont été les premiers à proposer ce mécanisme de gravure [22]. Ce mécanisme est basé sur l’hypothèse selon laquelle les espèces neutres qui réagissent avec le substrat affaiblissent les forces de liaison des atomes de surface. Ainsi, les ions incidents arrivant à la surface pulvérisent plus facilement les atomes du matériau, puisque leurs liaisons chimiques sont plus faibles. Le rendement de pulvérisation est alors plus élevé quecelui obtenu en l’absence d’espèces neutres.
La synergie ions/neutres
En pratique la synergie ions/neutres englobe tous les mécanismes de gravure présentés ci-dessus. Les ions peuvent pulvériser le substrat, dont les liaisons sont éventuellement fragilisées par l’action des neutres, ou peuvent graver le matériau en participant aux réactions chimiques (par l’apport d’énergie, et par leur nature chimique). Les neutres attaquent le matériau spontanément, avec l’assistance du bombardement ionique qui peut amplifier ces réactions chimiques en jouant sur les différentes étapes de la réaction (adsorptionesd réactifs, réaction entre les réactifs et le substrat, désorption des produits de gravure).
Suivant les conditions de gravure (rapport entre flux d’ions et flux de neutres, densité d’espèces réactives, température …), certains mécanismes peuvent être prépondérants, ce qui donne lieu à différents modèles de régimes de gravure [23].
La gravure de motifs
Ces mécanismes de gravure sont utilisés pourtransférer des motifsdans un matériau [24]. Pour cela, il faut protéger une partie de ce matériau par un masque, et graver de manière directive le matériau non protégé, sans dégrader le matériauprotecteur. On définit généralement les motifs par lithographie, dans une résine photosensible (polymère dont la réticulation est activée ou inhibée par un rayonnement ultra violet). Par exemple, si des motifs sont définis dans un polymère,
à la surface d’un oxyde de silicium (cf figure 1.5), il faut graver verticalement l’oxyde de silicium sans consommer le polymère. Idéalement, on transfer ainsi un motif du polymère dans l’oxyde de silicium avec des dimensions précisément identiques, et sur la profondeur désirée. a) b)
Dans la réalité, la définition de motifs est plus élicate,d et plusieurs paramètres comme la sélectivité et l’anisotropie doivent être définis.
La sélectivité
Pour transférer des motifs, il faut graver un matériau, sans consommer le masque. L’étape de gravure doit donc éliminer un matériausélectivementpar rapport à un ou plusieurs autres. La sélectivité s’exprime sous la forme du rapport des vitesses de gravure de deux matériaux différents :S Vmatériau_ à _ graver . Une bonne sélectivité est telle que S>>1.
Vmasque
Vmasque
Dans le cas de la gravure de l’oxyde de silicium avec un masque en polymère, la sélectivité est donc définie par S VSiO
V polymère
Typiquement, le polymère est une résine photosensible, dans laquelle les motifs ont été définis par lithographie. L’épaisseur de cette résine epolymère est fixée par le procédé de lithographie, et donc la profondeur théorique maximale eSiO2 que l’on peut graver dans le SiO 2 est limitée par le produit eSiO VSiO e polymère . 2V polymère 2
Lorsqu’on veut graver profondément un matériau, ilfaut donc utiliser un masque tel que la sélectivité soit très importante. Ceci est possibleen utilisant des matériaux ayant des propriétés fortement différentes, et donc des mécanismes de gravure différents [25].
La gravure chimique (par voie humide ou par voie sèche) est généralement plus sélective que la gravure assistée par les ions, puisque seule les réactions chimiques entrent en jeu.
L’anisotropie
Le second critère pour définir correctement des motifs est l’anisotropie de la gravure. Elle correspond à la différence de vitesse de gravure dans une direction par rapport à une autre direction. Pour les technologies de la microélectronique, où l’intégration est faite dans le plan, on définit l’anisotropie en comparant les vitesses de gravure verticales et horizontales. L’anisotropie est mesurée par A=1 VH où VH est la vitesse de gravure horizontale et VV la vitesse de gravure verticale. Une anisotropie de gravure parfaite (A=1) correspond à une vitesse de gravure horizontale nulle. Le profil final est donc parfaitement vertical.
La gravure anisotrope du matériau est possible car les ions sont accélérés quasi perpendiculairement au substrat. Cependant, la composante latérale de la gravure, due essentiellement à l’aspect chimique et à la dispers ion angulaire des ions, n’est pas négligeable, et peut induire des distorsions des profils de gravure [26]. Pour minimiser cette gravure latérale, le plasma peut également former descouches de passivation sur les flancs des motifs. Ces couches de passivation sont formées par l’adsorption de molécules inhibitrices sur les flancs des motifs en cours de gravure. Ainsi, on forme une couche mince de passivation sur les flancs du matériau à graver et on bloque la gravure latérale en isolantle matériau des espèces réactives du plasma.
Les molécules inhibitrices responsables de la formation des couches de passivation peuvent provenir à la fois :
· de l’introduction intentionnelle d’espèces dans le mélange gazeux du plasma. Par exemple, l’introduction de gaz fluorocarbonés polymérisants (CH2F2, CHF3, C4F8 …) permet la formation d’un dépôt fluorocarboné (C H F ) sur les flancs assurant l’anisotropie de gravure x y z des trous de contacts en SiO2 [27,28,29]
· du dépôt de produits de gravure peu volatils du matériau à graver ou du masque, qui viennent se re-déposer sur les flancs des motifs. Par exemple, pour la gravure des grilles de silicium en plasma HBr / Cl2 / O2, les couches de passivation sont formées par le dépôt d’espèces SiOCl sur les flancs [30].
La vitesse de gravure latérale est donc la résultante de deux composantes : la gravure latérale des flancs des motifs par les neutres du plasma (les ions bombardant très peu les flancs des motifs) et la formation d’une couche de passivation protectrice sur les flancs. La nature et l’épaisseur de cette couche dépendent de la chimiedu plasma, de la nature du masque, du matériau à graver [30]… Lorsque l’épaisseur devient trop importante, on a un changement de dimensions, à cause du dépôt de couches de passivation épaisses sur les flancs des motifs.
Pour des gravures purement chimiques, il est impossible de graver des matériaux amorphes de façon anisotrope. En revanche, dans les procédéspar plasmas, la directivité des ions (imposée par un champ électrique appliqué) permet de définirdes directions de gravure privilégiées, et donc de très bonnes anisotropies. C’est la raison principale pour laquelle les procédés de gravure par plasma se sont imposés en microélectronique.
Effet de la réduction des dimensions
Lorsqu’on réduit les dimensions, on fait varier toutes les caractéristiques qui viennent d’être énoncées. On peut alors les redéfinir pour des dimensions divisées par un facteurr. Dans ce cas, on a : ‘ R’C’ k 2 k r .
Le délai par unité de longueur au carré est donc multiplié par le carré du facteur de réduction des dimensions (r). Pour une même longueur de ligne, il faudra doncr2 fois plus de temps au signal pour s’établir. Il est important de nuancer ce résultat. En effet, en rapprochant les transistors, on limite aussi la longueur des lignes. Si on applique le même facteur de réduction à la longueur des lignes, on retrouve alors un délai identique dans les deux cas. Cependant, l’augmentation de la densité de transistors et du nombre de transistorsentraîne d’une façon générale, des interconnexions plus longues, et donc les délais sont augmentés parla réduction des dimensions. Pour la diaphonie, le rapport Q est inchangé par la réduction des dimensions. Là aussi, cette affirmation doit être nuancée. En effet, ce rapportdépend beaucoup de l’environnement des lignes. En particulier, si une ligne est loin des plans de masse, le rapport Q augmente en réduisant les dimensions. En augmentant le nombre de niveaux de métal, on éloigne nécessairement les lignes des plans de masse, et la diaphonie est donc plus importante.
Concernant la puissance dynamique dissipée, on retrouve la même valeur en appliquant le facteur de réduction des dimensions. Cependant, la remarque concernant la longueur des lignes d’interconnexions reste valable, et la puissance dissipée est donc plus importante. De plus, l’augmentation de la densité de lignes augmente la puissance dissipée par unité de volume. Enfin, la densité de courant devient : J ‘ I J .r 2.
La densité de courant augmente donc comme le carréde la réduction des dimensions. Des densités de courant colossales traversent donc les interconnexions (plusieurs MA.cm-2). Cette forte densité de courant peut alors déplacer des atomes de métal,ce qui crée des vides et coupe un circuit, ou crée des ponts métalliques qui court-circuitent deux lignes voisines. Ce phénomène appelé électromigrationétant directement lié à la densité de courant, laréduction des dimensions est très néfaste en termes d’électromigration. De plus, la éductionr des dimensions augmente la proportion de la surface par rapport au volume. L’électromigration ayant lieu essentiellement en périphérie des conducteurs, la réduction des dimensions dégrade d’autant plus l’électromigration.
Tout ceci montre que la réduction des dimensions des circuits intégrés dégrade les propriétés des interconnexions, en termes de délai, de diaphonie, de puissance dissipée, et d’électromigration. Il est important de garder en mémoire que le modèle présenté ci-dessus est extrêmement simplificateur, et que bien d’autres phénomènes ontlieu. Par exemple, l’effet inductif des lignes aux fréquences de travail, ou l’augmentation de la résistivité du métal lorsque sa section augmente ont été passés sous silence. Cependant, le modèlerésentép suffit à sensibiliser aux problèmes liés aux interconnexions.
Les solutions technologiques
Pour limiter les effets négatifs de la réduction des dimensions sur les interconnexions, plusieurs solutions sont possibles. En particulier, on voit dans les différentes équations présentées, que la dégradation peut être limitée en diminuanta lrésistivité du métalet la permittivité diélectrique de l’isolant. Il est donc possible de jouer sur ces deux grandeurs physiques, spécifiques aux matériaux utilisés, pour réduiresledégradations.
Jusqu’aux années 1997, les interconnexions étaientréalisées enaluminium, avec un oxyde de silicium comme matériau diélectrique. Pour cela, l’aluminium était déposé sur les plaques, puis les lignes étaient définies par lithographie. La gravure enlevait alors l’aluminium entre les lignes, et on déposait l’isolant pour préparer les niveaux métalliques supérieurs (cf figure 1.9). Afin de réduire la résistivité du conducteur, l’aluminiumρ(=2,65.10-8 .m-1) a été remplacé par lecuivre (ρ=1,7.10-8 .m-1) depuis la fin des années 1990 [34]. La gravure dece dernier est très difficile, du fait de la faible volatilité de ses produits de gravure. Un schéma d’intégration différent est donc utilisé pour son intégration (cf figure 1.9). Ce procédé appelédamascène est inspiré du damasquinage, procédé utilisé par les artisans de amasD au moyen âge pour décorer les armes. Dans le procédé damascène, on dépose tout d’aborde ldiélectrique sur lequel on définit des tranchées par lithographie. Ces motifs sont ensuite transférés dans le matériau diélectrique par gravure. Enfin, on remplit la tranchée de cuivre, et on enlève le surplus de métal par un polissage.
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Table des matières
Chapitre 1. Introduction
1.I. La microélectronique
1.I.1. Généralités
1.I.2. Les procédés technologiques
1.II. La gravure par plasma
1.II.1. Qu’est-ce qu’un plasma ?
1.II.2. Les mécanismes de gravure
1.II.3. La gravure de motifs
1.III. Les problématiques du back end of line
1.III.1. Qu’est-ce que le Back end of line ?
1.III.2. Problématique des interconnexions
1.III.3. Les solutions technologiques
1.III.4. Description des différents low-k
1.IV. Les enjeux spécifiques à l’intégration des matériaux low-k
1.IV.1. Les caractéristiques requises pour les low-k
1.IV.2. Les problèmes liés à la gravure des low-k
1.V. Les objectifs de la thèse
1.VI. Bibliographie du chapitre
Chapitre 2. Dispositif expérimental
2.I. Les plateformes de gravure
2.I.1. Centura 5200
2.I.2. TEL Unity
2.II. Les techniques de caractérisation du plasma
2.II.1. La spectroscopie d’émission optique
2.II.2. Sonde de Flux Ionique
2.II.3. Spectrométrie de masse
2.III. Les techniques de caractérisation de la surface des matériaux
2.III.1. XPS
2.III.2. XRR
2.IV. Les techniques de caractérisation du volume des matériaux
2.IV.1. Spectroscopie infrarouge
2.IV.2. Ellipsométrie
2.IV.3. Mesure de la constante diélectrique
2.V. Les techniques de caractérisation de la morphologie des matériaux
2.V.1. La réflectométrie
2.V.2. Microscopie d’électrons secondaires
2.VI. Les empilements de matériaux utilisés
2.VI.1. Les conditions de dépôt des matériaux diélectriques
2.VI.2. Les empilements
2.VII. Conclusion
2.VIII. Bibliographie du chapitre
Chapitre 3. Mécanismes de gravure en plasmas fluorocarbonés
3.I. La gravure des diélectriques
3.I.1. Rappels sur les mécanismes de gravure des matériaux diélectriques
3.I.2. Rappels sur la modification des matériaux diélectriques
3.I.3. La gravure du matériau hybride
3.II. Le comportement des masques
3.II.1. Le masque dur métallique en TiN
3.II.2. Le masque organique
3.III. Conclusion
3.IV. Bibliographie du chapitre
Chapitre 4. La gravure de tranchées étroites
4.I. Rappels sur les différents types de distorsion de profil et état de l’art
4.I.1. Charge différentielle
4.I.2. La gravure de motifs
4.I.3. Les causes de non uniformité de la gravure
4.I.4. Etat de l’art de la gravure de motifs de SiOCH poreux
4.II. La gravure de tranchées avec un masque métallique
4.II.1. Procédé d’ouverture du masque métallique
4.II.2. Procédé de gravure du diélectrique
4.III. La gravure de tranchées avec un masque organique
4.III.1. Procédé d’ouverture du masque organique
4.III.2. Procédé de gravure du diélectrique
4.IV. Comparaison des deux types de masques
4.V. Bibliographie du chapitre
Chapitre 5. Les procédés par plasmas post-gravure
5.I. Etat de l’art des traitements par plasmas
5.I.1. Les procédés de retrait de la résine
5.I.2. Les procédés de scellage des pores
5.I.3. La suppression des espèces fluorocarbonées
5.II. Caractérisation des matériaux poreux après les différents traitements par plasmas
5.II.1. Description des plasmas étudiés
5.II.2. Analyse de la surface par XPS
5.II.3. Analyse par XRR
5.II.4. Analyse du matériau par FTIR
5.II.5. Analyse de la composition des flancs
5.III. Mécanismes de la modification du matériau
5.III.1. Mécanismes d’interaction du plasma et du matériau SiOCH poreux
5.III.2. Modification de la constante diélectrique
5.IV. Propriétés de scellage des pores des plasmas utilisés
5.IV.1. Diffusion des précurseurs de dépôt de la barrière
5.IV.2. Analyse par EP
5.IV.3. Analyse de structures gravées par EP
5.V. Application au matériau hybride
5.V.1. Analyse de la surface par XPS
5.V.2. Analyse par XRR
5.V.3. Analyse du matériau par FTIR
5.V.4. Analyse par EP
5.V.5. Mesure de la constante diélectrique
5.VI. Conclusion
5.VII. Bibliographie du chapitre
Chapitre 6. Annexes
6.I. Code utilisé pour la simulation de l’ondulation des lignes de diélectrique
6.II. Liste des sigles et abréviations
6.III. Constantes et unités
6.III.1. Constantes utilisée
6.III.2. Unités généralement utilisées en microélectronique
6.III.3. Conversion des unités de pression
6.III.4. Equivalences des grandeurs physiques
6.III.5. Calcul des enthalpies de réaction
6.IV. Bibliographie des annexes
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