Area selective deposition of microcrystalline silicon by PECVD : physical origin, challenges and solutions.
Procédés de dépôt par croissance sélective de silicium microcrystallin par PECVD : origine physique, défis et solutions
Résumé
This PhD thesis is devoted to the demonstration of a new area selective deposition process based on the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique and to understanding the physical origin behind it.The first section of the thesis exploits Ar/SiF4/H2 plasma chemistry to selectively and locally deposit microcrystalline silicon (µc-Si) thin films on silicon oxynitride (SiOxNy) while preventing its growth on aluminum oxide (AlOx). We found that this selectivity could be achieved for specific plasma conditions, which we term Area Selective-PECVD (AS-PECVD) conditions. Our plasma-based approach is a simple method that requires only one step to grow 55 nm of µc-Si selectively on SiOxNy for a relatively short time (20 minutes) compared to the alternative atomic layer deposition based approaches. The same AS-PECVD conditions provide selectivity on different materials as well, notably on metals. In this section, we also showed cases where the Ar/SiF4/H2 plasma deposition is not selective, and where silicon growth occurred on both SiOxNy and AlOx areas.In the second section, we focused on SiOxNy and AlOx surface chemistries in order to understand the reason behind our AS-PECVD process. X-ray spectroscopy based techniques were able to detect a great quantity of fluorine atoms on AlOx area due to the formation of Al-F bonds on top of this non growth area. Therefore, Ar/SiF4/H2 plasma under AS-PECVD conditions create a “chemical mask” of AlF3 preventing the nucleation of microcrystalline silicon on AlOx area.The last section included the application of the AS-PECVD process to patterned samples fabricated by photolithography. The preparation process causes surface contamination, so that additional cleaning and plasma pretreatment steps were necessary in order to obtain selective deposition. ASD is possible on smaller SiOxNy features (in the order of 15 µm). Although the morphology and the structure of the µc-Si slightly changed for different feature dimension, the growth rate did not. Since the selectivity can still be achieved on small areas, it remains possible that AS-PECVD can be used for semiconductor fabrication.
Cette thèse de doctorat est consacrée d’une part à la démonstration d'un nouveau procédé de dépôt par croissance sélective utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) et d’autre part à la compréhension de son origine physique.La première partie de la thèse exploite la chimie du plasma Ar/SiF4/H2 qui permet la croissance sélective et locale de couches minces de silicium microcristallin (µc-Si) sur une surface d'oxynitrure de silicium (SiOxNy), tandis que pour les mêmes conditions de plasma, la croissance du µc-Si n’est pas assurée sur une surface d’oxyde d’Aluminium (AlOx). Nous avons constaté que cette sélectivité ne pourrait être obtenue que pour des conditions de plasma spécifiques, appelée les conditions AS-PECVD. Notre approche basée sur le plasma, est une méthode simple qui ne nécessite qu'une seule étape pour déposer sélectivement 55 nm de µc-Si sur SiOxNy pendant une durée relativement courte (20 minutes) par rapport aux approches alternatives basées sur la technique « Atomic Layer Deposition » (ALD). Les mêmes conditions AS-PECVD assurent le dépôt sélectif sur différents matériaux, notamment sur les métaux. Dans cette section, nous avons également montré des cas où le dépôt plasma Ar/SiF4/H2 n'est pas sélectif, ce qui signifie que la croissance du silicium a eu lieu à la fois sur les zones SiOxNy et AlOx.Dans la deuxième section, nous nous sommes concentrés sur la chimie de surfaces du SiOxNy et AlOx afin de comprendre l’origine de notre procédé AS-PECVD. Les techniques basées sur la spectroscopie aux rayons X ont permis de détecter une grande quantité d'atomes de fluor sur la zone AlOx suite à la formation de liaisons Al-F au-dessus de cette zone. Par conséquent, le plasma Ar/SiF4/H2 sous les conditions AS-PECVD crée un « masque chimique» d'AlF3 empêchant la nucléation du silicium microcristallin sur la zone AlOx.La dernière section comprenait l'application du processus AS-PECVD à des échantillons à motifs fabriqués par photolithographie. La préparation de ces motifs engendre des contaminations sur les surfaces, ce qui nécessite des étapes supplémentaires de nettoyage et de traitement au plasma pour rétablir le dépôt sélectif. Le procédé de dépôt par croissance sélective est possible sur des surfaces de SiOxNy de petites dimensions (de l'ordre de 15 µm). Même si la morphologie et la structure du µc-Si aient légèrement changé sur des motifs de différentes dimensions, le taux de croissance reste constant. Étant donné que la sélectivité est possible sur de petites surfaces, ce procédé de dépôt par croissance sélective par PECVD peut être un bénéfice dans la fabrication de semi-conducteurs.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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