Effect of doping on the modification of polycrystalline silicon by spontaneous reduction of diazonium salts

International audienceThe chemical modification of doped polycrystalline silicon materials (N+, N++ and P++) and silicon (1 0 0) and (1 1 1) used as references is investigated by spontaneous reduction of diazonium salts. The effectiveness of the grafting process on all polySi surfaces is shown by AFM and XPS analyses. The effect of substrate doping on the efficiency of the electrografting process is compared by using the thicknesses of the deposited organic films. For a better accuracy, two methods are used to estimate the thicknesses: XPS and the coupling of a O2 plasma etching with AFM measurement. Structural characteristics of the poly-Si films were investigated by Scanning Electron Microscopy and X-ray diffraction to find a correlation between the structure of the material and its reactivity. Different parameters that could have an impact on the efficiency of the grafting procedure are discussed. The observed differences between differently doped silicon surfaces is rather limited, this is in agreement with the radical character of the reacting species

SiGe derivatization by spontaneous reduction of aryl diazonium salts

International audienceGermanium semiconductors have interesting properties for FET-based biosensor applications since they possess high surface roughness allowing the immobilization of a high amount of receptors on a small surface area. Since SiGe combined low cost of Si and intrinsic properties of Ge with high mobility carriers, we focused the study on this particularly interesting material. The comparison of the efficiency of a functionalization process involving the spontaneous reduction of diazonium salts is studied on Si(1 0 0), SiGe and Ge semiconductors. XPS analysis of the functionalized surfaces reveals the presence of a covalent grafted layer on all the substrates that was confirmed by AFM. Interestingly, the modified Ge derivatives have still higher surface roughness after derivatization. To support the estimated thickness by XPS, a step measurement of the organic layers is done by AFM or by profilometer technique after a O2 plasma etching of the functionalized layer. This original method is well-adapted to measure the thickness of thin organic films on rough substrates such as germanium. The analyses show a higher chemical grafting on SiGe substrates compared with Si and Ge semiconductors

Fluorine-based plasmas: Main features and application in micro-and nanotechnology and in surface treatment

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Surface Modification of Inorganic Materials by Fluorination Treatments

The surface characteristics of materials dominate the performance of the final products in many applications. For instance the mechanical behavior of composite materials are strongly dependent on the nature of the fiber/matrix interface, the lubricant properties are influenced by surface tribological effects, the success of bio-implants is mostly determined by biocompatibility, etc

Gravure et traitement par plasma de matériaux organosiliciés SiOC(H) pour des applications en lithographie avancée et comme isolant d'interconnexion en microélectronique

L'objet de cette étude est la gravure par plasma de nouveaux matériaux, SiOC(H). Leurs propriétés ajustables entre organiques et inorganiques leurs donnent de grandes potentialités en microélectronique. Premièrement, l'étude se porte sur des applications en lithographie optique avec de nouveaux polymères développés dans un projet européen, contenant un nanocomposé, la molécule POSS (Si8O12). Ces polymères faiblement absorbants à 157 nm pourraient être utilisés dans un procédé bicouche. Des analyses XPS et ellipsométriques sont effectuées pour caractériser ces matériaux avant et après traitement en plasma d'oxygène. Ensuite, le SiOC(H) est utilisé comme isolant d'interconnexion à faible permittivité électrique. Les plasmas de C2F6 avec des additifs (O2, Ar, et H2) sont utilisés pour obtenir une vitesse de gravure élevée et une grande sélectivité avec la couche d'arrêt SiC(H). Des analyses de surfaces et du plasma sont utilisées pour comprendre les mécanismes de gravures des matériaux.This study concerns the plasma etching of new materials SiOC(H). Their adjustable properties between organic and inorganic lead to great potentialities in microelectronics. This work is dedicated to two particular applications in microelectronics. First, the study is focused on their applications in optical lithography with new polymers developing in a european project, containing one nanocompound, the POSS molecule. These polymers that exhibit a low absorbance at 157 nm could be used in a bilayer process. XPS and ellipsometric analysis are performed to characterize these materials before and after oxygen plasma treatment. Then, the SiOC(H) are used as interconnection dielectric with a low electric permittivity. C2F6 plasma with various additives (O2, Ar, and H2) was studied in order to obtain a high eth rate, and a significant selectivity with respect to the etch stop layer SiC(H). Surface and plasma analysis are carried out to enhanced understanding of the material etch mechanisms.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Procédés de gravure de SiO2 en plasmas denses fluorocarbonés pour des applications en nano- et micro-technologies

Les plasmas fluorocarbonés sont utilisés pour la gravure sélective de l'oxyde de silicium en micro-électronique et plus récemment en optronique. Les sources plasma haute densité basse pression (réacteur ICP) permettent d'atteindre des vitesses de gravure élevées nécessaires pour les différentes applications industrielles, au détriment d'une sélectivité de gravure médiocre.Afin d'améliorer la sélectivité vis à vis du masque de silicium, l'hydrogène est habituellement ajouté au gaz fluorocarbonné et plus récemment le méthane.Fluorocarbon plasmas are used for selective etching of silicon oxide in microelectronics and more recently in optronics. Low pressure high density plasma sources (ICP reactor) allow to reach high oxide etch rates required for the different industrial applications to the detriment of a low SiO2/Si selectivity.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Élaboration de nouveaux conducteurs à base de nanotubes de carbone pour connexions inter-niveaux

Ces travaux portent sur l élaboration des nanotubes de carbone (NTC) par procédé plasma pour leur intégration dans les connexions inter-niveaux des futurs circuits intégrés. L étude concerne l ensemble des étapes technologiques permettant cette intégration. Une attention particulière est portée sur la compatibilité des architectures des dispositifs et des matériaux utilisés avec les procédés industriels en microélectronique. Le dépôt sélectif de catalyseur métallique par électrochimie et surtout la croissance de nanotubes de carbone in situ par PECVD à basse température sont au centre de ces travaux. L influence de différents paramètres (nature chimique de l interface substrat-électrolyte, surpotentiel, durée) du procédé d électrodépôt est évaluée en vue de réaliser le dépôt de particules métalliques de morphologie propice à la croissance de NTC sur les substrats d intérêt technologiques. L étude portant sur la croissance de NTC par PECVD est dédiée à l optimisation du procédé afin qu il respecte le cahier des charges de l industrie microélectronique. Ce travail a nécessité la compréhension des phénomènes mis en jeux lors de la croissance ainsi que l impact des différents paramètres du plasma sur les structures synthétisées. Grâce à ces travaux d optimisations, nous avons réalisé la synthèse de NTC dans un dispositif d interconnexion caractéristique des technologies actuelles. Ce manuscrit présente une solution innovante d intégration des NTC comme matériau conducteur pour les interconnexions en terme de matériaux et de procédés.This manuscript focuses on the carbon nanotubes (CNT) synthesis by a plasma process for their integration as conductive material in interconnects of future integrated circuits. The study covers all integration technological steps that allow integration. A particular attention is paid to devices and architectures compatibility with industrial processes used in microelectronics. The selective catalyst deposition using electrochemistry and the growth of carbon nanotubes by PECVD at low temperatures are the essential parts of this work. The influence of different parameters (chemical nature of the interface substrate-electrolyte, overpotential, duration) of the electrodeposition process is evaluated in order to achieve the deposition of metallic particles with morphologies suitable for CNT growth on technological interesting substrates. The study dedicated to the CNT growth by PECVD focuses on the process optimization to meet the specifications of the microelectronics industry. This work has required the understanding of the phenomena that take place during the CNT growth and the impact of various plasma parameters on the synthesized structures. Taking benefits of these optimization works, the CNT synthesis is performed in a typical interconnects architecture of current technologies. This paper presents an innovative solution for integrating CNT as conductive material for interconnections in terms of materials and processes.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Effect of Ar and N-2 addition on CH4-H-2 based chemistry inductively coupled plasma etching of HgCdTe

International audienceMercury cadmium telluride (MCT) CH4-H-2 based chemistry inductively coupled plasma (ICP) etching mechanisms are investigated. The effect of Ar and N-2 addition in the mixture on plasma and MCT surface characteristics are studied by Langmuir probe, mass spectrometry, and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In the authors' conditions, the HgTe faster removal than CdTe leads to the formation of a CdTe rich layer in the first 30 s of plasma exposure. Ion flux intensity and composition are only slightly influenced by N-2 addition while a strong effect is shown on neutral species by the formation of NH3, HCN, and the increase in CH3 radical density. At the opposite, Ar addition to the gas mixture leads to a total ion flux increase and promote CH3+ formation while small changes are observed on neutral species. In our low pressure and high density conditions, same order of magnitude of ion and neutral CH3 flux on MCT surface is found, suggesting a chemical contribution of CH3+ ions in MCT etching. This is confirmed by a strong correlation of the MCT etching yield versus total (neutral and ionic) CH3 flux. These results suggest that the etching is limited by the supply of CH3 to the surface

Porous SiOCH, SiCH and SiO2 etching in high density fluorocarbon plasma with a pulsed bias

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Gravure en plasma dense fluorocarboné de matériaux organosiliciés à faible constante diélectrique (SiOCH, SiOCH poreux) (étude d'un procédé de polarisation pulsée)

L'objet de ce travail est la gravure en plasma ICP fluorocarboné de matériaux à faible constante diélectrique que sont les méthylsilsesquioxanes SiOCH et SiOCH poreux, utilisés comme isolant intermétallique dans la réalisation de circuits intégrés en microélectronique. La gravure de matériaux utilisés comme masque dur ou couche d'arrêt, SiO2, SiCH, est aussi étudiée. Une vitesse de gravure élevée pour le low- SiOCH poreux, associée à une forte sélectivité de gravure vis à vis de SiO2 et SiCH, sont recherchées. Dans cet objectif, le procédé de gravure est modifié : la tension de polarisation, et donc l'énergie des ions, est pulsée. Pour comprendre les mécanismes de gravure de Si, SiCH, SiO2, SiOCH, et SiOCH poreux en polarisation continue et pulsée, les analyses de surface (XPS, ellipsométrie) sont couplées aux analyses plasma (spectrométrie de masse, spectroscopie d'émission optique, sonde plane). Un modèle est développé pour décrire la vitesse de gravure en polarisation pulsée.This study concerns the etching of low permittivity methylsilsesquioxane materials, SiOCH and porous SiOCH, used as intermetal dielectric in microelectronics devices, with fluorocarbon inductively coupled plasma. Etching of SiO2 and SiCH, used as hard mask or etch stop layer is also studied. The aim is to obtain a high porous SiOCH etch rate with a high selectivity versus SiCH and SiO2. To reach this goal, the etching process has been modified : the bias voltage, and so the ion energy, is pulsed. This process provides excellent results concerning both etch rate and selectivity. To understand etch mechanisms of Si, SiCH, SiO2, SiOCH, and porous SiOCH in continuous and pulsed modes, surface analyses (XPS, ellipsometry) are coupled to plasma analyses (mass spectrometry, optical emission spectroscopy, planar probe). A model describing etch rates when a pulsed bias voltage is applied has been developed.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF