3D simulation of etching processes by reactive plasma : application to the etching of resist microlenses in CF4 chemistry
Simulation 3D de procédés de gravure par plasma réactif : application à la gravure de microlentilles en résine en chimie CF4
Résumé
This thesis addresses the problem of plasma etching of resist microlenses used in CMOS image sensors. This etching process takes place in a dual-frequency CCP reactor using CF4 chemistry: the aim is to transfer a semi-spherical pattern formed by photolithographically into a resist substrate, and to close the gap between the microlenses after the thermal flow step. The 3D shape of the lens must therefore be modified in a controlled way during the etching. To better understand the transfer mechanisms involved in the process, this study proposes to implement a 3D etching model describing the evolution of the resist microlens profile in a CF4 plasma, using a hybrid multiscale simulation code (HPEM, for Hybrid Plasma Equipment Model) built around three modules. The plasma module uses a fluid code to simulate the transport and kinetics of plasma species (densities, velocities, temperatures), as well as the electric field in the reactor. This information is coupled to a surface chemistry module that calculates the flux, energy and angle distribution functions (EADF) of the reactive species impacting the substrate. These data are then used by the etching module (MCFPM), which uses a phenomenological Monte Carlo code to simulate the evolution of the etching profile over time. The impact of operating conditions (low- and high-frequency RF powers, wall conditions, pressure) on the plasma composition is first studied. In agreement with the literature, our simulations show that CF3+ and F- are the primary ions and that F, CF, CF3, CF2 are the predominant radicals (in decreasing density) in our base-case conditions. They also show that the surface recombination coefficient γ(rec,F > F2), which is related to the reactor wall characteristics (temperature, material), strongly influences this composition. As expected in dual-frequency CCP reactors, the low-frequency power PLF (100-900 W) controls the energy of the ions impacting the wafer, while the high-frequency power PHF (100-1500 W) drives the ion flux. However, some coupling between these effects is observed due to the proximity of our two frequencies (13.56 and 40.68 MHz). Pressure (30-200 mTorr) modifies the structure and electronegativity of the plasma; at high pressure, it also widens the ion angular distribution without significantly affecting the ion flux. To model the etching of microlenses in this reactor, a new set of reactions governing the plasma-surface interactions between an organic resist and fluorocarbon plasmas was developed in the MCFPM module. Simulation results were compared with experimental measurements (ellipsometry, TOF-SIMS, SEM) carried out in cleanrooms to optimize and validate the model. In agreement with experiments, etching simulations on blanket substrates show that the modified layer is mainly composed of fluorinated resist, with little polymer on the surface. Etch rates follow the variations of the ion flux while the thickness of the modified layer is controlled by the ion energy. Microlens etching profiles show good agreement between simulation and experiment, except for low-frequency powers PLF < 500W and pressures > 60 mTorr, which correspond to regimes of low ion energy or high F-radical flux/ion flux ratio, in which chemical etching is more important. These more chemical conditions lead to the formation of cliffs on the flanks of the lens, which were observed experimentally but not reproduced numerically. In most of the conditions explored, the multi-scale model developed (plasma model coupled with 3D etching profile simulation) provides a better understanding of the transfer mechanisms involved, by identifying the plasma parameters responsible for the final shape of the microlenses.
Ce travail de thèse aborde le problème de la gravure de microlentilles en résine utilisées dans les capteurs d’images CMOS. Ce procédé de gravure a lieu dans un réacteur plasma CCP double-fréquence en chimie CF4 : l’objectif est de transférer un motif semi-sphérique mis en forme par photolithographie dans un substrat de résine, et de fermer l’écart présent entre les microlentilles après l’étape de fluage thermique. La forme 3D de la lentille doit donc être modifiée de manière contrôlée durant la gravure. Afin de comprendre les mécanismes de transfert impliqués, cette étude propose d’implémenter un modèle de gravure 3D décrivant l’évolution du profil de ces microlentilles dans un plasma de CF4, à l’aide d’un code de simulation hybride multi-échelle (HPEM, pour Hybrid Plasma Equipment Model) s’articulant autour de trois modules. Le module plasma permet - à l’aide d’un code fluide - de simuler le transport et la cinétique des espèces (densités, vitesses, températures) ainsi que le champ électrique dans le réacteur. Ces informations sont couplées à un module de chimie de surface qui calcule les flux, l’énergie et l’angle (EADF) des espèces réactives impactant le substrat. Ces données sont enfin utilisées par le module de gravure (MCFPM) qui utilise un code Monte Carlo phénoménologique pour simuler l’évolution du profil de gravure au cours du temps. L’impact des conditions opératoires (puissances RF basse et haute fréquence, conditions aux parois, pression) sur la composition du plasma est d’abord étudié. En accord avec la littérature existante, nos simulations montrent que CF3+ and F− sont les ions majoritaires et que F, CF, CF3, CF2 sont les radicaux prédominants (par ordre décroissant) dans nos conditions de référence, mais que le coefficient de recombinaison surfacique γ(rec,F > F2), lié aux caractéristiques des parois (température, matériau), influence fortement cette composition. Comme attendu dans un réacteur CCP double fréquence, la puissance basse fréquence PBF (100–900 W) contrôle l’énergie des ions impactant le substrat tandis que la puissance haute fréquence PHF (100–1500 W) pilote le flux d’ions. Néanmoins, de légers couplages sont observés entre ces effets dus à la proximité des deux fréquences utilisées (13.56 et 40.68 MHz). La pression (30-200 mTorr) modifie la structure et l’électronégativité du plasma ; à haute pression, elle élargit la distribution angulaire du flux d’ions sans impacter significativement son flux. Pour modéliser la gravure de microlentilles dans ce réacteur, un nouveau set de réactions régissant les interactions plasma-surface entre résine organique et plasma fluorocarboné a été développé dans le module MCFPM. Les résultats de simulation ont été comparés à des mesures expérimentales (ellipsométrie, TOF-SIMS, MEB) réalisées en salle blanche pour optimiser et valider le modèle. En accord avec l’expérience, la simulation sur substrats « pleine plaque » montre que la couche modifiée est principalement composée de résine fluorée avec peu de polymère en surface. La vitesse de gravure suit les variations du flux d’ions ; l’épaisseur de la couche modifiée est contrôlée par l’énergie des ions. Les profils de gravure de microlentilles montrent un bon accord entre simulation et expérience, sauf pour des puissances PBF < 500W et des pressions p > 60 mTorr, qui correspondent à des régimes de faible énergie ionique ou de fort ratio flux de radicaux F/flux d’ions, dans lesquels la gravure chimique est plus importante. Ces conditions plus chimiques entrainent la formation de falaises sur les flancs de la lentille, observées expérimentalement mais non reproduites numériquement. Dans la majorité des conditions explorées, le modèle multi-échelle développé (modélisation du plasma couplée à la simulation de profils de gravure) permet de mieux comprendre les mécanismes de transfert en identifiant les paramètres plasma à l’origine de la forme finale des microlentilles.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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