Etude et développement de procédés de gravure plasma de HfO2 pour l'élaboration de transistors CMOS sub-45 nm

Abstract

New materials have to be introduced in the gate stack in order to ensure the miniaturization of CMOS structures.Thus, the conventional poly-Si/SiO2 gate stack is going to be replaced by poly-Si/metal/high-k material stack. The introduction of these new materials requires the development of new plasma etching processes. The aim of this work was to develop plasma etching processes aimed to etch the thin high-k layer (HfO2 in our case) selectively towards the underlying silicon substrate. This work shows that BCL3 based plasmas are very promising to fulfill this goal. Indeed, the etching mechanisms in BCl3 plasmas rely on the competition of etching and BCl deposition on the surface. The transition from one regime to another is controlled by the plasma ion energy. As the ion energy threshold is lower for HfO2 than for Si containing substrates, infinite etch selectivity can be obtained by adjusting correctly the ion energy. Moreover, this study underlines the outstanding role of reactor wall conditioning in the etching mechanisms involved in BCl3 plasmas. Finally, etching processes in BCl3 plasmas addressing selectivity and anisotropy issues are proposed to etch thin HfO2 oxide gate.La miniaturisation des dispositifs CMOS impose d'introduire de nouveaux matériaux dans l'empilement de grille des transistors. Ainsi, l'empilement classique poly-silicium/SiO2 est remplacé par un empilement poly- silicium/métal/matériau à haute permittivité diélectrique. L'introduction de ces nouveaux matériaux nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma.L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma capable de graver une fine couche de diélectrique (HfO2 dans notre cas) sélectivement par rapport au substrat de silicium sous-jacent. Cette étude montre que les plasmas à base de BCl3 sont très prometteurs dans ce domaine. En effet, les mécanismes de gravure en BCl3 reposent sur une compétition entre gravure et formation d'un dépôt de BCl sur la surface. La transition d'un régime à l'autre est contrôlée par l'énergie des ions du plasma. Comme le seuil de gravure en énergie est plus faible pour HfO2 que pour les substrats contenant du Si, il est possible d'obtenir une sélectivité de gravure infinie en ajustant l'énergie des ions judicieusement. De plus ce travail souligne le rôle important du conditionnement des parois du réacteur de gravure dans les mécanismes mis en jeu en plasma de BCl3. Enfin, des procédés de gravure répondant aux problèmes de sélectivité et d'anisotropie de gravure sont proposés pour graver la fine couche de HfO2 de grille