New plasma technologies for atomic scale precision etching

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Analyse des mécanismes mis en jeu lors de l'élaboration par gravure plasma de structures de dimensions déca-nanométriques : Application au transistor CMOS ultime

This work focuses on the understanding of the mechanisms involved in plasma etching processes used to design sub-20 nm poly-silicon gates for MOS transistors. The achievement of poly-silicon gates is based on two main steps: lithography followed by plasma etching. Nowadays, the lithographic step limits the scaling down of the silicon gates, since it only leads to a 80 nm resolution using conventional optic lithographies. The current strategy to overcome lithography limitations is to introduce a step of "resist trimming" prior to all the other classical gate etching steps. This particular plasma etching step consists in a controlled lateral erosion of the photoresist patterns elaborated by a classical lithography. In this work, we have deeply studied the resist trimming processes, which are nowadays the only way to get sub-20 nm transistor gates from conventional lithography. Two plasma chemistries HBr/O2 et Cl2/O2 have been investigated. For both chemistries, correlations between lateral etch rates (measured from SEM observations), the chemical surface modifications of the resist patterns (tops and sidewalls) determined by XPS analyses, and the chemical nature of the resist etch-by-products obtained by mass spectrometry have been established. Moreover, controlling this particular step is not the only challenge when achieving sub-20nm transistor gates. A very accurate control and understanding of all the plasma steps (BARC, hard mask open and gate etching) involved in the gate stack processes is also required. It is then important to study the parameters that generate a deviation of the final gate dimension for each of these plasma steps. The aspects that have been investigated are the etching behaviour of the photoresist mask exposed to the plasma, and the chemical nature of the layers that deposit on feature sidewalls and on the reactor walls during the process. This has been done thanks to the development of two experimental procedures based on XPS analyses.Ce travail de thèse vise la compréhension des mécanismes de gravure impliqués dans les procédés de gravure plasma de grilles en poly-silicium pour l'élaboration de transistors MOS de dimension inférieure à 20 nm. La réalisation d'une grille de transistor comprend une étape de lithographie suivie d'étapes de gravure. Actuellement, les techniques lithographiques constituent un frein à la réduction en dimension des grilles, car elles permettent au mieux d'atteindre des résolutions de 80 nm. La stratégie adoptée pour s'affranchir de ces limites lithographiques est l'introduction d'une nouvelle étape de gravure, l'étape de réduction de cote résine (ou resist trimming). Cette étape consiste à éroder latéralement par gravure plasma les motifs de résine préalablement définis par la lithographie. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc été la compréhension des mécanismes de gravure mis en jeu lors d'un procédé de réduction de cote résine. Deux chimies de plasma HBr/O2 et Cl2/O2 ont été étudiées et comparées. Pour ces deux chimies, une corrélation a été établie entre les vitesses de gravure latérale (observations MEB), les modifications physico-chimiques des flancs des motifs de résine après exposition à un plasma (obtenues par XPS), et la nature chimique des produits issus de la gravure de la résine (déterminée par spectrométrie de masse). Les autres facteurs freinant le développement des grilles de dimensions inférieures à 20 nm sont les procédés de gravure grille actuels qui sont au mieux contrôlés à 5-10 nm, alors que la réduction d'échelle impose un contrôle des procédés de gravure inférieur à 2-3 nm. Le deuxième volet de ce travail a donc consisté à étudier les facteurs responsables de la perte de contrôle dimensionnel lors des différentes étapes du procédé de gravure grille. Les aspects étudiés sont les modifications physico-chimiques du masque résine pendant la gravure, les couches de passivation qui se forment sur les flancs des motifs gravés, et l'état de surface des parois du réacteur, et ce grâce à la mise au point de deux protocoles expérimentaux utilisant des analyses XPS

Analyse des mécanismes mis en jeu lors de l'élaboration par gravure plasma de structures de dimensions déca-nanométriques : Application au transistor CMOS ultime

This work focuses on the understanding of the mechanisms involved in plasma etching processes used to design sub-20 nm poly-silicon gates for MOS transistors. The achievement of poly-silicon gates is based on two main steps: lithography followed by plasma etching. Nowadays, the lithographic step limits the scaling down of the silicon gates, since it only leads to a 80 nm resolution using conventional optic lithographies. The current strategy to overcome lithography limitations is to introduce a step of "resist trimming" prior to all the other classical gate etching steps. This particular plasma etching step consists in a controlled lateral erosion of the photoresist patterns elaborated by a classical lithography. In this work, we have deeply studied the resist trimming processes, which are nowadays the only way to get sub-20 nm transistor gates from conventional lithography. Two plasma chemistries HBr/O2 et Cl2/O2 have been investigated. For both chemistries, correlations between lateral etch rates (measured from SEM observations), the chemical surface modifications of the resist patterns (tops and sidewalls) determined by XPS analyses, and the chemical nature of the resist etch-by-products obtained by mass spectrometry have been established. Moreover, controlling this particular step is not the only challenge when achieving sub-20nm transistor gates. A very accurate control and understanding of all the plasma steps (BARC, hard mask open and gate etching) involved in the gate stack processes is also required. It is then important to study the parameters that generate a deviation of the final gate dimension for each of these plasma steps. The aspects that have been investigated are the etching behaviour of the photoresist mask exposed to the plasma, and the chemical nature of the layers that deposit on feature sidewalls and on the reactor walls during the process. This has been done thanks to the development of two experimental procedures based on XPS analyses.Ce travail de thèse vise la compréhension des mécanismes de gravure impliqués dans les procédés de gravure plasma de grilles en poly-silicium pour l'élaboration de transistors MOS de dimension inférieure à 20 nm. La réalisation d'une grille de transistor comprend une étape de lithographie suivie d'étapes de gravure. Actuellement, les techniques lithographiques constituent un frein à la réduction en dimension des grilles, car elles permettent au mieux d'atteindre des résolutions de 80 nm. La stratégie adoptée pour s'affranchir de ces limites lithographiques est l'introduction d'une nouvelle étape de gravure, l'étape de réduction de cote résine (ou resist trimming). Cette étape consiste à éroder latéralement par gravure plasma les motifs de résine préalablement définis par la lithographie. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc été la compréhension des mécanismes de gravure mis en jeu lors d'un procédé de réduction de cote résine. Deux chimies de plasma HBr/O2 et Cl2/O2 ont été étudiées et comparées. Pour ces deux chimies, une corrélation a été établie entre les vitesses de gravure latérale (observations MEB), les modifications physico-chimiques des flancs des motifs de résine après exposition à un plasma (obtenues par XPS), et la nature chimique des produits issus de la gravure de la résine (déterminée par spectrométrie de masse). Les autres facteurs freinant le développement des grilles de dimensions inférieures à 20 nm sont les procédés de gravure grille actuels qui sont au mieux contrôlés à 5-10 nm, alors que la réduction d'échelle impose un contrôle des procédés de gravure inférieur à 2-3 nm. Le deuxième volet de ce travail a donc consisté à étudier les facteurs responsables de la perte de contrôle dimensionnel lors des différentes étapes du procédé de gravure grille. Les aspects étudiés sont les modifications physico-chimiques du masque résine pendant la gravure, les couches de passivation qui se forment sur les flancs des motifs gravés, et l'état de surface des parois du réacteur, et ce grâce à la mise au point de deux protocoles expérimentaux utilisant des analyses XPS

Analyse de procédés de traitement plasma des résines photosensibles à 193 nm pour le développement de technologies CMOS sub-65 nm

Ce travail de thèse vise l étude des interactions entre les plasmas utilisés en microélectroniques et les résines à amplification chimique. Les résines employées en microélectronique servent de masque à la gravure et doivent donc être suffisamment résistantes vis-à-vis des plasmas. L objectif de ce travail a été dans un premier temps de mettre en évidence les dégradations subies par les résines pendant une étape de gravure. Puis, des procédés de renforcement de ces résines par des traitements plasma ont été étudiés. Ainsi les mécanismes permettant de modifier et de renforcer les résines pour les étapes de gravure ont été expliqués. Le rôle prépondérant joué par les émissions UV du plasma dans le processus de modifications des résines a été mis en évidence. Enfin, la dernière partie de ce travail a consisté à démontrer le potentiel de ces traitements pour des applications industrielles. Ils permettent ainsi d améliorer la résistance à la gravure ainsi que la rugosité des motifs de résine.This work focuses on the study of the interactions between plasmas used in microelectronic processes and chemically amplified photoresists. The fabrication processes in microelectronic requires the use of organic polymers. ln a first time, these materials are used to define the geometry of the final device during a lithography step. ln the following of the fabrication process, the resist acts as a mask to allow selective treatment of the substrate underneath. One of these treatments is dry etching, a step which is used to transfer resist patterns into the substrate. As a consequence, the photoresists must be sufficiently resistant in order to correctly fulfill there role as etch mask. The main objective of this work has been to deeply investigate the dry etch resistance of chemically amplified resists, and to propose a way to improve their stability during typical dry etch steps. We have studied the degradation of 193 Dm photoresists exposed to various etch chemistries. Several characterization techniques employed (FTIR, XPS, DSC and TGA) have highlighted the weaknesses of 193 Dm resists chemistries, due to their acrylic structures. Controlling the resist degradations during etch being a major issue, we have deeply investigated the possibility of improving the resist etch behaviour by using plasma treatments prior to etching. These treatments are commonly referred to as "plasma cures". The specific modifications of the resist caused by these treatments have been clearly shown, and the major role played by the plasma UV emissions has been demonstrated. Finally these treatments have been applied to resist profiles in order to show their strong potential in terms of industrial applications for sub-65 Dm CMOS technologies. A positive effect has been shown on two major issues: the resist etch rate and the Line Width Roughness (L WR).GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Analyse des mécanismes mis en jeu lors de l'élaboration par gravure plasma de structures de dimensions déca-nanométriques (application au transistor CMOS ultime)

Ce travail de thèse vise la compréhension des mécanismes de gravure impliqués dans les procédés de gravure plasma de grilles en pol silicium pour l'élaboration de transistors MOS de dimension inférieure à 20 nm. La réalisation d'une grille de transistor comprend une étape de lithographie suivie d'étapes de gravure. Actuellement, les techniques lithographiques constituent un frein à la réduction en dimension des grilles. La stratégie adoptée pour s'affranchir des limites lithographiques est l'introduction d'une étape de réduction de coti résine qui consiste à éroder latéralement par gravure plasma les motifs de résine préalablement définis par la lithographie. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc été la compréhension des mécanismes de gravure mis en jeu lors d'un procédé de réduction de cote résine. Deux chimies de plasma HBr/02 et C12/02 ont été étudiées et comparées. Pour ces deux chimies, une corrélation a été établie entre les vitesses de gravure latérale (MEB), les modifications physico-chimiques des flancs des motifs de résinl après exposition à un plasma (XPS), et la nature chimique des produits issus de la gravure de la résine (spectrométrie de masse). Le deuxième volet de ce travail étudie les facteurs responsables de la perte de contrôle dimensionnel lors des différentes étapes du procédé de gravure grille. Les aspects étudiés sont les modifications physico-chimiques du masque résine pendant la gravure, les couches de passivation qui se forment sur les flancs des motifs gravés, et l'état de surface des parois du réacteur, et ce grâce à la mise au point de deux protocoles expérimentaux utilisant des analyses XPS.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Influence of the carrier wafer during GaN etching in Cl2 plasma

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Influence of the carrier wafer during GaN etching in Cl2 plasma

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Cycling of implantation step and remote plasma process step for nitride spacer etching applications.

International audienceThe etching of silicon nitride spacers is one of the most challenging steps of transistor fabrication. It requires anisotropy to preserve the sidewalls and a high etch selectivity over the underlying substrate to achieve a high surface quality. Recently, an interesting approach using a two step-process was proposed for the etching of silicon nitride spacers with high anisotropy and minimal induced damage [1]. The first step uses an H2 implantation to selectively modify the horizontal SiN surfaces over the vertical ones, while the second step selectively removes the modified layer either via HF exposure or via a remote plasma (RP). This paper explores a new route to implement those two steps in a cycling process achieved in the same plasma reactor chamber. The reactor has the capability to produce both a capacitive plasma discharge (CCP) for the implantation step and a remote discharge for the removal step. This study demonstrates that the remote plasma process, whose etching mechanisms are driven by reactive neutrals, is highly sensitive to the material surface state and consequently an incubation time exists before the etching starts when exposed to neutrals. The modifications induced by the first implantation step shortens the incubation time offering a process window with infinite etch selectivity between horizontal implanted and vertical non-implanted surfaces. Based on this understanding a two-step cycling process was developed and applied successfully to the etching of Si3N4 spacer patterns for imager applications

Improvement of sidewall roughness of sub-micron silicon-on-insulator waveguides for low-loss on-chip links

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Etching of Silicon and Silicon Oxide in a Pulsed Inductively Coupled Plasma with Chlorine

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