Plasma etching and treatment of organosilicon material SiOC(H) by plasma for applications in advanced lithography and as interconnection dielectric in microelectronics
GRAVURE ET TRAITEMENT PAR PLASMA DE MATERIAUX ORGANOSILICIES SIOC(H) POUR DES APPLICATIONS EN LITHOGRAPHIE AVANCEE ET COMME ISOLANT D'INTERCONNEXION EN MICROELECTRONIQUE
Résumé
This study concerns the plasma etching of hybrid materials SiOC(H) which are new emergent compounds. Their adjustable properties between organic and inorganic compounds lead to great potentialities. This work is dedicated to two particular applications in microelectronic.
In a first time, our study is focused on their applications in optical lithography within the framework of a European project (157 CRISPIES n° 2000 30-143) where new polymers containing one nanocompound, the POSS molecule are developed. These polymers could be used in a bilayer lithography process because they exhibit a low absorbance at the future wavelength, UV at 157 nm, or X at 13,5 nm. The surface structure before etching was particularly studied thanks to an advanced use of XPS measurements. This work shows the POSS molecule surface segregation. In order to characterize the plasma development phase of the bilayer process, these materials were etched in oxygen plasma. XPS and ellipsometric analysis point out the influence of the oxide layer formed on these surface. A correlation is performed between the oxide thickness of oxide measured by XPS and the polymer consumption measured by ellipsometry. These results led us to develop a kinetic model which allows to understand the etching mechanisms of these new compounds in oxygen plasma.
In a second time, we studied the use of SiOC(H) matérials as interconnection dielectric. Indeed, these materials have a lower electric permittivity than silicon oxide classically used in microelectronic. They allow to improve the information transmission delays in the chips. Addition of O2, Ar, and H2 to fluorocarbon plasmas (C2F6) was studied in order to obtain a high etch rate, but also a significant selectivity with respect to the etch stop layer SiC(H). The hydrogen addition allows to increase the selectivity while keeping a good etch rate. The quasi in situ XPS surface analysis show the material composition modification over few nanometers, with the carbon concentration lower than in the bluk. Then, for C2F6/H2 and C2F6/Ar plasmas, a fluorocarbon layer is superimposed on this modified layer and its thickness is correlated to etching rates. Measurements of the ion flux and of the fluorine atomic concentration allow a better understanding of the etching mechanisms which govern these materials.
In a first time, our study is focused on their applications in optical lithography within the framework of a European project (157 CRISPIES n° 2000 30-143) where new polymers containing one nanocompound, the POSS molecule are developed. These polymers could be used in a bilayer lithography process because they exhibit a low absorbance at the future wavelength, UV at 157 nm, or X at 13,5 nm. The surface structure before etching was particularly studied thanks to an advanced use of XPS measurements. This work shows the POSS molecule surface segregation. In order to characterize the plasma development phase of the bilayer process, these materials were etched in oxygen plasma. XPS and ellipsometric analysis point out the influence of the oxide layer formed on these surface. A correlation is performed between the oxide thickness of oxide measured by XPS and the polymer consumption measured by ellipsometry. These results led us to develop a kinetic model which allows to understand the etching mechanisms of these new compounds in oxygen plasma.
In a second time, we studied the use of SiOC(H) matérials as interconnection dielectric. Indeed, these materials have a lower electric permittivity than silicon oxide classically used in microelectronic. They allow to improve the information transmission delays in the chips. Addition of O2, Ar, and H2 to fluorocarbon plasmas (C2F6) was studied in order to obtain a high etch rate, but also a significant selectivity with respect to the etch stop layer SiC(H). The hydrogen addition allows to increase the selectivity while keeping a good etch rate. The quasi in situ XPS surface analysis show the material composition modification over few nanometers, with the carbon concentration lower than in the bluk. Then, for C2F6/H2 and C2F6/Ar plasmas, a fluorocarbon layer is superimposed on this modified layer and its thickness is correlated to etching rates. Measurements of the ion flux and of the fluorine atomic concentration allow a better understanding of the etching mechanisms which govern these materials.
L'objet de cette étude est la gravure par plasma de matériaux hybrides SiOC(H) qui sont de nouveaux composés émergents. Leurs propriétés ajustables entre composés organiques et inorganiques leurs donnent de grandes potentialités. Ce travail est dédié à deux applications particulières en microélectronique.
Dans un premier temps, notre étude s'est portée sur leurs applications en lithographie optique dans le cadre d'un projet européen (157 CRISPIES n° 2000 30-143) où sont développés de nouveaux polymères contenant un nanocomposé, la molécule POSS (Si8O12) (Polyhedral oligomeric silsesquioxane). Ces polymères pourraient être utilisés dans un procédé de lithographie bicouche car ils sont faiblement absorbants pour les futurs rayonnements, UV à 157 nm, ou X à 13,5 nm. L'analyse de leur surface avant gravure a été particulièrement poussée grâce à une utilisation avancée des mesures XPS. Ce travail a mis en évidence la ségrégation en surface de la molécule POSS. Afin de caractériser la phase de développement plasma du procédé bicouche, ces matériaux ont été gravés en plasma d'oxygène. Des analyses XPS et ellipsométriques montrent le rôle joué par la couche d'oxyde qui se forme à la surface de ces matériaux. Une corrélation est faite entre l'épaisseur de l'oxyde mesurée par XPS et la consommation totale du polymère mesurée par ellipsométrie. L'ensemble de ces résultats nous a amené à développer un modèle cinétique permettant de comprendre les mécanismes de gravure de ces nouveaux composés en plasmas oxydants.
Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'utilisation de SiOC(H) comme isolant d'interconnexion. En effet, ces matériaux présentent une permittivité électrique plus faible que celle de l'oxyde de silicium classiquement utilisé en microélectronique, on les appelle low-k. Ils permettent d'améliorer les vitesses de transmission des informations au sein des puces. Les plasmas fluorocarbonés (C2F6) avec différents additifs (O2, Ar, H2) ont été utilisés à la fois pour obtenir une vitesse de gravure élevée mais aussi une sélectivité importante avec la couche d'arrêt SiC(H). L'addition d'hydrogène permet d'augmenter la sélectivité tout en conservant une vitesse de gravure élevée. Les caractérisations de surface par XPS quasi in situ montrent tout d'abord que la composition du matériau est modifiée sur quelques nanomètres, avec une diminution de la quantité de carbone. Ensuite, pour les plasmas de C2F6/H2 et C2F6/Ar, une couche fluorocarbonée se superpose à cette couche modifiée et son épaisseur est corrélée aux vitesses de gravure. Des mesures du flux ionique et de la quantité de fluor atomique permettent de mieux appréhender les mécanismes de gravure qui régissent ces matériaux.
Dans un premier temps, notre étude s'est portée sur leurs applications en lithographie optique dans le cadre d'un projet européen (157 CRISPIES n° 2000 30-143) où sont développés de nouveaux polymères contenant un nanocomposé, la molécule POSS (Si8O12) (Polyhedral oligomeric silsesquioxane). Ces polymères pourraient être utilisés dans un procédé de lithographie bicouche car ils sont faiblement absorbants pour les futurs rayonnements, UV à 157 nm, ou X à 13,5 nm. L'analyse de leur surface avant gravure a été particulièrement poussée grâce à une utilisation avancée des mesures XPS. Ce travail a mis en évidence la ségrégation en surface de la molécule POSS. Afin de caractériser la phase de développement plasma du procédé bicouche, ces matériaux ont été gravés en plasma d'oxygène. Des analyses XPS et ellipsométriques montrent le rôle joué par la couche d'oxyde qui se forme à la surface de ces matériaux. Une corrélation est faite entre l'épaisseur de l'oxyde mesurée par XPS et la consommation totale du polymère mesurée par ellipsométrie. L'ensemble de ces résultats nous a amené à développer un modèle cinétique permettant de comprendre les mécanismes de gravure de ces nouveaux composés en plasmas oxydants.
Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'utilisation de SiOC(H) comme isolant d'interconnexion. En effet, ces matériaux présentent une permittivité électrique plus faible que celle de l'oxyde de silicium classiquement utilisé en microélectronique, on les appelle low-k. Ils permettent d'améliorer les vitesses de transmission des informations au sein des puces. Les plasmas fluorocarbonés (C2F6) avec différents additifs (O2, Ar, H2) ont été utilisés à la fois pour obtenir une vitesse de gravure élevée mais aussi une sélectivité importante avec la couche d'arrêt SiC(H). L'addition d'hydrogène permet d'augmenter la sélectivité tout en conservant une vitesse de gravure élevée. Les caractérisations de surface par XPS quasi in situ montrent tout d'abord que la composition du matériau est modifiée sur quelques nanomètres, avec une diminution de la quantité de carbone. Ensuite, pour les plasmas de C2F6/H2 et C2F6/Ar, une couche fluorocarbonée se superpose à cette couche modifiée et son épaisseur est corrélée aux vitesses de gravure. Des mesures du flux ionique et de la quantité de fluor atomique permettent de mieux appréhender les mécanismes de gravure qui régissent ces matériaux.
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