Optical and electrical characterisation of high-density chlorine plasmas and the effect of plasma/surface interactions on silicon etching
CARACTERISATIONS OPTIQUES ET ELECTRIQUE D'UN PLASMA DE CHLORE HAUTE DENSITE ET DES EFFETS DES INTERACTIONS PLASMA/SURFACE EN GRAVURE SILICIUM
Résumé
This work is dedicated to the study of inductive chlorine plasma, their interactions with the surface of reactor and their impact in the advanced etching in micro-electronics. We mainly used two in-situ, non-perturbatives plasma diagnostics : The electrostatic probe and the U.V. absorption spectroscopy. The plane electrostatic probe measure the ion flux to reactor walls. Due to a capacitive coupling, the probe is tolerant to surface deposition. It also works with electronegative plasma, even if, at high pressures, plasma inhomogeneities make the local flux on walls different from the ion flux on wafer. Absolute Cl2 concentration was determined by U.V. absorption and the dissociation rate deduced from it. From the global model of Lieberman which assumes the electronic temperature is independent from the RF power supply, a theoretical model was developed to calculate the dissociation rate. Cl2 dissociation mainly depends on the RF power and decreases when the pressure increases. Etching products like SiCl and SiCl2 was also measured. With the ion flux measurements, concentrations of those products result from sputtering etching. Adding CF4 in a chlorine plasma makes a progressive decrease of concentrations of chlorine-contained etching-products until a steady state. Return to pure chlorine plasmas makes a progressive increase. Chemistry changes surface state of the reactor which modifies chemical composition and the ion flux in the plasma. Vessel history is important for process drifts.
Dans ce travail, nous avons étudié les plasmas inductifs en chimie chlorée, leurs interactions avec la surface du réacteur et l'impact de celles-ci lors de la gravure avancée en micro-électronique. Nous avons utilisé principalement deux diagnostics plasma in-situ et non perturbants : la sonde électrostatique et la spectrométrie d'absorption U.V. La sonde électrostatique plane permet de mesurer le flux ionique sur les parois du réacteur. Grâce à un couplage capacitif, elle est tolérante aux dépôts sur sa surface. Elle fonctionne aussi avec les plasmas électronégatifs, mais à fortes pressions, les inhomogénéités de ces plasmas font que le flux ionique localisé sur les parois peut différé du flux ionique sur les plaques gravées. Avec l'absorption U.V., la concentration absolue de Cl2 a été mesurée et le taux de dissociation en a été déduit. En se basant sur le modèle global de Lieberman qui suppose la température électronique indépendante de la puissance source injectée, un modèle théorique a été élaboré pour calculer le taux de dissociation. La dissociation de Cl2 dépend principalement de la puissance source injectée mais n'atteint jamais 100% à cause des recombinaisons rapide et diminue lorsque la pression augmente. Les concentrations des produits de gravure SiCl, SiCl2 et AlCl ont également été déterminées. Couplées aux mesures de flux ionique, Ils apparaît que ces produits sont produits directement par la gravure ionique. L'addition de CF4 dans un plasma de chlore provoque une baisse progressive des concentrations des produits chlorés jusqu'à un état stationnaire. Le retour à des plasmas en chlore pur provoque une hausse également progressive des concentrations de produits chloré. Le changement de chimie perturbe l'état des surfaces du réacteur ce qui modifie la composition chimique et le flux ionique des plasmas. L'historique du réacteur à une grande importance sur les dérives des procédés.
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