Analyse des mécanismes mis en jeu lors de l'élaboration par gravure plasma de structures de dimensions déca-nanométriques : Application au transistor CMOS ultime - FMNT - Fédération Micro- et Nano- Technologies Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2004

Analyse des mécanismes mis en jeu lors de l'élaboration par gravure plasma de structures de dimensions déca-nanométriques : Application au transistor CMOS ultime

Résumé

This work focuses on the understanding of the mechanisms involved in plasma etching processes used to design sub-20 nm poly-silicon gates for MOS transistors. The achievement of poly-silicon gates is based on two main steps: lithography followed by plasma etching. Nowadays, the lithographic step limits the scaling down of the silicon gates, since it only leads to a 80 nm resolution using conventional optic lithographies. The current strategy to overcome lithography limitations is to introduce a step of "resist trimming" prior to all the other classical gate etching steps. This particular plasma etching step consists in a controlled lateral erosion of the photoresist patterns elaborated by a classical lithography. In this work, we have deeply studied the resist trimming processes, which are nowadays the only way to get sub-20 nm transistor gates from conventional lithography. Two plasma chemistries HBr/O2 et Cl2/O2 have been investigated. For both chemistries, correlations between lateral etch rates (measured from SEM observations), the chemical surface modifications of the resist patterns (tops and sidewalls) determined by XPS analyses, and the chemical nature of the resist etch-by-products obtained by mass spectrometry have been established. Moreover, controlling this particular step is not the only challenge when achieving sub-20nm transistor gates. A very accurate control and understanding of all the plasma steps (BARC, hard mask open and gate etching) involved in the gate stack processes is also required. It is then important to study the parameters that generate a deviation of the final gate dimension for each of these plasma steps. The aspects that have been investigated are the etching behaviour of the photoresist mask exposed to the plasma, and the chemical nature of the layers that deposit on feature sidewalls and on the reactor walls during the process. This has been done thanks to the development of two experimental procedures based on XPS analyses.
Ce travail de thèse vise la compréhension des mécanismes de gravure impliqués dans les procédés de gravure plasma de grilles en poly-silicium pour l'élaboration de transistors MOS de dimension inférieure à 20 nm. La réalisation d'une grille de transistor comprend une étape de lithographie suivie d'étapes de gravure. Actuellement, les techniques lithographiques constituent un frein à la réduction en dimension des grilles, car elles permettent au mieux d'atteindre des résolutions de 80 nm. La stratégie adoptée pour s'affranchir de ces limites lithographiques est l'introduction d'une nouvelle étape de gravure, l'étape de réduction de cote résine (ou resist trimming). Cette étape consiste à éroder latéralement par gravure plasma les motifs de résine préalablement définis par la lithographie. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc été la compréhension des mécanismes de gravure mis en jeu lors d'un procédé de réduction de cote résine. Deux chimies de plasma HBr/O2 et Cl2/O2 ont été étudiées et comparées. Pour ces deux chimies, une corrélation a été établie entre les vitesses de gravure latérale (observations MEB), les modifications physico-chimiques des flancs des motifs de résine après exposition à un plasma (obtenues par XPS), et la nature chimique des produits issus de la gravure de la résine (déterminée par spectrométrie de masse). Les autres facteurs freinant le développement des grilles de dimensions inférieures à 20 nm sont les procédés de gravure grille actuels qui sont au mieux contrôlés à 5-10 nm, alors que la réduction d'échelle impose un contrôle des procédés de gravure inférieur à 2-3 nm. Le deuxième volet de ce travail a donc consisté à étudier les facteurs responsables de la perte de contrôle dimensionnel lors des différentes étapes du procédé de gravure grille. Les aspects étudiés sont les modifications physico-chimiques du masque résine pendant la gravure, les couches de passivation qui se forment sur les flancs des motifs gravés, et l'état de surface des parois du réacteur, et ce grâce à la mise au point de deux protocoles expérimentaux utilisant des analyses XPS.
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tel-00685653 , version 1 (05-04-2012)

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  • HAL Id : tel-00685653 , version 1

Citer

Erwine Pargon. Analyse des mécanismes mis en jeu lors de l'élaboration par gravure plasma de structures de dimensions déca-nanométriques : Application au transistor CMOS ultime. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université de Grenoble, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00685653⟩
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