Sub-0.1 µm gate etch processes for CMOS applications
Gravure de la grille en silicium pour les filières CMOS sub-0,1 µm
Résumé
This work focuses on plasma patterning of sub-0.1 µm amorphous silicon gate for CMOS applications. We have performed this study in a high-density plasma Helicon source equipped with diagnostic tools allowing a real time monitoring of the etching process. First, we have developed a standard process based on HBr/O2 chemistry that is best adapted to ensure high selectivity to the thin gate oxide and provides anisotropic etching profiles. We have shown an unsuspected behavior of thin gate oxide (< 2 nm) exposed to the standard process. During the low-energy overetch step, both oxidation and amorphization of the bulk silicon take place leading to the increase of the gate oxide thickness. Different techniques of characterization have been used to fully understand this phenomenon. Second, XPS analyses have been extensively used to investigate the chemical composition of the sidewall passivation films in order to get a better understanding of the mechanism of their formation during the plasma patterning of the sub-0.1 µm silicon gates. These films are basically built up during the main etch step of the process and are bromine silicon oxide-like films. They get more dense as the overetch step proceeds thanks to the bromine substitution by oxygen atoms. We have also shown that the sidewall passivation films formation strongly depends on plasma operating conditions: chemistry, ions energy, the overetch step duration and the oxygen dilution. TEM observations have shown that the thickness of the sidewall passivation films decreases from the top to the bottom of the features.
Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des recherches avancées pour l'élaboration de la grille en silicium amorphe, pour les applications CMOS sub-0,1 µm. Cette étude a été menée sur la plate-forme de gravure du CNET, équipée de différents outils de caractérisation installés in situ. Dans un premier temps, nous avons développé un procédé de gravure à base de HBr/O2 permettant d'assurer une bonne anisotropie de gravure tout en ne générant aucun perçage de l'oxyde de grille très mince (< 2 nm). Au cours de l'optimisation de ce procédé, nous avons observé une augmentation de l'épaisseur de l'oxyde de grille. Grâce à différentes techniques d'analyses, nous avons montré que cette augmentation d'épaisseur est due à une oxydation et une amorphisation partielle du substrat de silicium sous l'oxyde de grille. Le deuxième volet de ce travail a porté sur une étude physico-chimique de la couche de passivation formée sur les flancs de la grille. Cette couche permet d'assurer l'anisotropie de gravure en bloquant toute gravure latérale. Par des analyses XPS, nous avons montré qu'elle se forme dès l'étape de gravure principale. Elle est constituée d'un 'sous' oxyde de silicium bromé. Pendant l'étape de surgravure, cette couche se densifie par substitution du brome par des atomes d'oxygène. Nous avons également montré que sa formation dépend fortement de la chimie utilisée, de l'énergie des ions, de la durée de la surgravure et de la dilution en oxygène. Des observations au microscope électronique à transmission ont révélé que cette couche est plus épaisse au sommet qu'au pied de la grille, favorisant ainsi l'apparition de défaut sous forme d'encoche au pied de la grille, le 'notching'.