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Université de Nantes (05/07/2006), Christophe Cardinaud (Dir.)
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Gravure en plasma dense fluorocarboné de matériaux organosiliciés à faible constante diélectrique (SiOCH, SiOCH poreux). Etude d'un procédé de polarisation pulsée.
Vanessa Raballand1

En micro-électronique, la performance des circuits intégrés est limitée par l'augmentation des délais d'interconnexions. Une solution est de remplacer le diélectrique d'interniveaux conventionnel (SiO2) par un matériau à plus faible constante diélectrique (low-k). Cette étude concerne la gravure de matériaux low-k SiOCH et SiOCH poreux, et la gravure de la couche barrière SiCH et du masque dur SiO2. La sélectivité de gravure des low-k par rapport à SiCH et SiO2 est un critère important à obtenir. De plus, l'étape de gravure ne doit pas modifier considérablement la constante diélectrique du matériau. Enfin, la gravure de motifs doit être anisotrope. Pour atteindre ces objectifs, un meilleur contrôle du procédé de gravure et une meilleure compréhension des mécanismes de gravure sont souhaités.
La gravure des matériaux est réalisée en plasma fluorocarboné (CHF3) additionné ou non de H2 ou Ar, dans un réacteur à couplage inductif (ICP), dans lequel le substrat est polarisé négativement. Ce procédé a été modifié en appliquant une polarisation pulsée au substrat (1 Hz à 10 kHz). Dans cette configuration, l'énergie des ions est pulsée. L'influence des conditions de pulse (fréquence, et rapport cyclique rc=TON/T) sur la gravure des matériaux SiOCH poreux, SiOCH, SiCH, SiO2, et Si est étudiée. En particulier, en diminuant le rapport cyclique, ce procédé pulsé fournit d'excellents résultats concernant la gravure sélective de SiOCH poreux vis à vis de SiCH et SiO2.
Pour optimiser le procédé de gravure, une meilleure compréhension de l'interaction plasma-surface, et par suite des mécanismes de gravure, est indispensable. Pour cela, des analyses de surface (XPS, ellipsométrie spectroscopique, MEB) sont corrélées à des analyses du plasma (spectrométrie de masse, spectroscopie d'émission optique, sonde de Langmuir, sonde plane). En particulier, durant cette thèse, le diagnostic de sonde plane a été développé. Il permet une mesure précise du flux d'ions, qui peut alors être mesuré en temps réel en plasma polymérisant, électronégatif et instable. En comparant ces différents diagnostics, nous concluons que les mécanismes de gravure en polarisation pulsée sont similaires à ceux en polarisation continue. Toutefois, le procédé de gravure diffère. Aussi, pour comprendre ce procédé, un modèle décrivant les vitesses de gravure en fonction de la tension de polarisation a été développé. En résumé, lorsque aucune tension n'est appliquée (phase OFF), un film fluorocarboné se dépose à la surface des matériaux. Puis, à l'application d'une tension (phase ON), une énergie des ions supérieure à celle obtenue en polarisation continue est nécessaire pour graver ce dépôt puis graver le matériau. De plus, la gravure du matériau en polarisation pulsée s'opère à travers un film fluorocarboné plus riche en fluor par rapport au mode continu : La gravure des matériaux en est améliorée. Le modèle, tenant compte de cet état de surface, décrit alors correctement les seuils et vitesses de gravure des différents matériaux en polarisation pulsée.
1:  IMN - Institut des matériaux Jean Rouxel
faible constante diélectrique – low-k – gravure plasma – ICP – tension de polarisation pulsée – gaz fluorocarboné – XPS – ellipsométrie – sonde plane

Etching of low dielectric constant organosilicon materials (SiOCH, porous SiOCH) in high density fluorocarbon plasma. Study of a pulsed RF bias voltage process
In microelectronics, the performance of integrated circuit is limited by increasing interconnections delays. One solution is to replace the standard interlevel dielectric (SiO2) by a low dielectric constant material (low-k). This study deals with low-k SiOCH and porous SiOCH etching, as well as SiO2 and SiCH etching used as hard mask or etch stop layer. The aim is to obtain a high etch rate for porous SiOCH with a high selectivity versus SiCH and SiO2. Moreover, the etch step should not alter the low-k, and modify its dielectric constant. Then, etching of features has to be anisotropic. To reach these goals, a better etching control and a better etching mechanisms understanding is required.
Etch is performed in an inductively coupled reactor using fluorocarbon gases (CHF3, CHF3/Ar, CHF3/H2), where the substrate is negatively biased. This etching process has been modified : the bias voltage, and so the ion energy, is pulsed. The influence of pulsed conditions, frequency and duty cycle (TON/T), is studied. Indeed, by decreasing the duty cycle, this process provides excellent results concerning porous SiOCH selectivity with respect to SiCH or SiO2.
To understand etch mechanisms of Si, SiCH, SiO2, SiOCH, and porous SiOCH in continuous and pulsed modes, material analyses (XPS, spectroscopic ellipsometry, SEM) are coupled to plasma analyses (mass spectrometry, optical emission spectroscopy, Langmuir and planar probes). In particular, the development of the planar probe diagnostic has been part of my work. It enables an accurate measurement of the ion flux towards the substrate. Ion fluxes are then successfully measured in real time in polymerising, electronegative, and unstable plasmas. Comparing those different diagnostics, we conclude that etch mechanisms in pulsed mode are similar to those in continuous mode. However, the etching process is different. To understand that, a model describing etch rates when a pulsed bias voltage is applied has been developed. In summary, when no bias voltage is applied (phase OFF), a fluorocarbon film is deposited onto material surfaces. Then, when a bias is applied (phase ON), a higher ion energy than in continuous mode is needed to etch this film and hence to etch the material. Moreover, with a pulsed bias voltage, materials are etched through a fluorine rich fluorocarbon film. Thereby, the model clarifies the pulsed etching process and is useful to understand etch rates evolution with a pulsed bias voltage.
low permittivity – low-k – plasma etching – ICP – pulsed bias voltage – fluorocarbon gas – XPS – ellipsometry – planar probe