Advanced plasma etching process study perfomed by Atomistic Simulation : application to Flash memories' ONO layer etching
Simulation Atomistique pour procédés de gravure plasma avancés : application à la gravure ONO des produits mémoires Flash
Résumé
This PhD thesis focuses on the technological challenges related to the plasma etching of Flash memories’ ONO stack, an inter-polysilicon dielectric consisting of three ultrathin layers (SiO2/Si3N4/SiO2, each approximatively 4 nm-thick), which needs to be etched with a nanoscale precision without damaging the underlayers. More precisely, this work explores the etching of these materials by an alternative approach, called Smart-Etch thereafter, based on light ion implantation and composed of two steps. First, the material to be etched is modified by exposure to a hydrogen (H2) or helium (He) ICP or CCP plasma; in a second step, the modified layer is selectively removed using wet etching or gaseous reactants only. To understand the fundamental mechanisms involved in the first step and assist the development of such a process, molecular dynamics simulations coupled with experiments were performed to study the interaction between hydrogen/helium plasmas and SiO2/ONO materials. This work shows that SiO2 implantation by low energy (15-150 eV) He+ and Hx+ (x= 1-3) ions is driven by a two-step auto-limited phenomenon: a rapid volume modification (with almost no etching) followed by a slow saturation and the formation of a stable implanted layer at steady state. The influence of ion energy and ion composition on the structural/chemical modification and the etching of the substrate is studied, allowing a comparison of our results obtained on SiO2 with those reported on Si3N4 in the literature. In agreement with experiments, our numerical predictions allow to propose a range of ion energies to implant each ONO layer with the nanoscale precision required: 58 eV / 78 eV / 71 eV for a helium plasma and 32 eV / 35 eV (x2) / 44 eV for a hydrogen plasma mostly composed of H3+ ions. The study of He+ and H+ impacts at grazing incidence on the sidewalls of SiO2 patterned structures leads to the reassuring conclusion that reflected ions and etched products should not cause of micro-trenching phenomena during the implantation. To finish, simulations of the full ONO stack layer implantation allow to validate the feasibility of the process in one single implantation/removing step (rather than layer by layer) and to give an estimate of ionic energies required to perform it.
Utilisée dans les étapes de fabrication des mémoires Flash, la gravure plasma de l’ONO, diélectrique inter-polysilicium constitué de trois couches ultrafines (SiO2/Si3N4/SiO2, chacune d’une épaisseur d’environ 4 nm), requiert de graver cet empilement avec une précision nanométrique sans endommager les couches sous-jacentes. Ce travail de thèse explore la modélisation et la simulation de la gravure de ces matériaux par une approche alternative, appelée Smart-Etch, basée sur l’implantation d’ions légers. Composé de deux étapes, ce procédé consiste à exposer le matériau à graver à un plasma ICP ou CCP d’hydrogène (H2) ou d’hélium (He) puis à retirer sélectivement la couche modifiée par gravure humide ou par exposition à des réactifs gazeux. Afin de comprendre les mécanismes fondamentaux de la première étape et étudier la faisabilité d’un tel procédé, des simulations de dynamique moléculaire (DM) et des mesures expérimentales ont été réalisées pour analyser l'interaction des plasmas d’hydrogène/hélium avec le SiO2 et l’empilement ONO. Ce travail montre que l’implantation du SiO2 par des ions He+ et Hx+ (x = 1-3) de faible énergie (15-150 eV) s’effectue de manière auto-limitée et en deux étapes : une rapide modification en volume (sans gravure importante) suivie d'une saturation lente et de la formation d'une couche implantée stable à l’état stationnaire. L’influence de l’énergie et de la nature ionique sur la modification structurelle/chimique et sur la gravure du substrat est étudiée, permettant une comparaison des résultats obtenus sur le SiO2 avec ceux rapportés sur le Si3N4 dans la littérature. En accord avec l’expérience, les prévisions numériques permettent de proposer une gamme de d’énergies ioniques afin d’implanter chaque couche de l’empilement ONO avec la précision nanométrique requise : 58 eV / 78 eV / 71 eV dans le cas d’un plasma d’hélium et 32 eV / 35 eV (x2) / 44 eV dans le cas d’un plasma d’hydrogène majoritairement composé d’ions H3+. L’étude d’impacts He+ et H+ à incidence rasante sur des flancs de structures SiO2 patternées conclut de manière rassurante sur la faible probabilité des ions réfléchis ou des espèces gravées à venir provoquer un phénomène de micro-trenching au pied des motifs durant l’implantation. Enfin, des simulations de l’implantation de l’empilement complet ONO permettent de valider la faisabilité d’un procédé d’implantation/retrait en une seule étape (et non plus couche par couche) et de donner un ordre de grandeur des énergies à utiliser dans ce cas .
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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