Analyses of different strategies for metal -high k gate etch processes involved in the 45 and 32 nm nodes
Analyse des différentes stratégies de procédés de gravure de grille métal – high k pour les noeuds technologiques 45 nm et 32 nm
Résumé
With the reduction of devices dimensions and the introduction of new gate materials such as metals and high-k oxides, it's more and more challenging to maintain a tight CD control. This work focuses on defining an etch process which enable the etching of an polysilicon/TiN/Mo/HfO2 gate stack while maintaining a CD control adapted to the 45 and 32 nm nodes. In a first part, we studied the etching of polysilicon with SF6/CH2F2(CHF3)/Ar plasmas and compared the results with those obtained with HBr/Cl2/O2 plasmas. We acquired a good understanding of the etch mechanisms, mainly the passivation mechanisms, that take place during the etching. We were then able to develop an etch process which provided good anisotropy and showed that the fluorocarbon-based plasma are superior from a CD control point of view. In a second part we studied the etching of titanium nitride and molybdenum. We developed two processes which provided good anisotropy without damaging neither the polysilicon part of the gate or the underlying oxide. Our study showed that titanium nitride should be etch with an HBr/Cl2 based plasma while molybdenum should be etch with an HBr/Cl2/O2 based plasma. In the third and last part we studied the issues associated with the line width roughness of a 193nm photoresist/amorphous carbone/polysilicon gate stack. We showed that the final roughness of the polysilicon pattern is very similar to the roughness of the initial photoresist pattern and that the hard mask etching step and the polysilicon etching step have a very low influence on the pattern LWR. We also analyze the influence of curing and trimming the photoresist on the pattern LWR.
Avec la miniaturisation des composants et l'ajout de nouveaux matériaux de grille, notamment les métaux et les oxydes high-k, il est de plus en plus difficile de développer des procédés de gravure plasma permettant de maintenir un bon contrôle dimensionnel. L'objectif de ce travail de thèse est de déterminer une stratégie de gravure qui permette de graver un empilement polysilicium/TiN/Mo/HfO2 tout en satisfaisant les exigences dimensionnelles des noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. Dans une première partie nous avons étudié la gravure du polysilicium par des plasmas de SF6/CH2F2(CHF3)/Ar et avons comparé les résultats à ceux obtenus avec des plasmas de HBr/Cl2/O2. Nous avons acquis une connaissance fine des mécanismes de gravure mis en jeu, notamment les mécanismes de passivation. Nous avons ainsi pu développer un procédé de gravure anisotrope et montrer que les plasmas fluorocarbonés présentent plusieurs avantages pour le contrôle dimensionnel. Dans une deuxième partie nous avons étudié la gravure du nitrure de titane et du molybdène en veillant à ne pas endommager les éléments de la grille déjà gravés ni la couche d'oxyde high-k sous jacente. Suite à ces études, deux stratégies de gravure se sont imposées : le TiN doit être gravé avec un plasma de HBr/Cl2 tandis que le Mo doit être gravé avec un plasma de HBr/Cl2/O2. Enfin, dans une troisième partie, nous avons étudié les problèmes liés à la rugosité de bord de ligne dans un empilement résine 193nm/carbone amorphe/polysilicium. Nous avons montré que la rugosité présente initialement dans le motif de résine se transférait dans le motif de polysilicium final et que les étapes de gravure du masque dur et du polysilicium avaient une influence faible. Nous avons également examiné l'influence sur la rugosité de deux procédés plasmas appliqués à la résine : le procédé de « resist trimming » et le procédé de « cure ».
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