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Étude par microscopie à force atomique en trois dimensions de lévolution de la rugosité de bord de ligne lors de la fabrication dune grille de transistor.

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Présentation au sujet: "Étude par microscopie à force atomique en trois dimensions de lévolution de la rugosité de bord de ligne lors de la fabrication dune grille de transistor."— Transcription de la présentation:

1 Étude par microscopie à force atomique en trois dimensions de lévolution de la rugosité de bord de ligne lors de la fabrication dune grille de transistor MOS Directeur de thèse: Olivier JOUBERT (CNRS) Encadrants : Johann FOUCHER (CEA-Leti) et Erwine PARGON (CNRS) Thèse préparée au Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM / CNRS) Jérôme THIAULT

2 2Jérôme THIAULT - 6 décembre Contexte technologique Source Dopée N Drain Dopé N Grille Oxyde de grille Substrat Silicium dopé P Canal de conduction Vd Vg Vs espaceur Isolation latérale (STI) Le transistor MOS (Metal Oxyde Semi-conducteur) Développement de la microélectronique Hausse de la vitesse de fonctionnement des dispositifs Augmentation du nombre de transistors par puce Réduction des coûts de fabrication dune fonction élémentaire Miniaturisation des composants État bloqué Vg 0V État passant Vg > V seuil

3 3Jérôme THIAULT - 6 décembre Lithographie Fabrication grille transistor MOS Masque Résine BARC Poly- Silicium (grille) SiO 2 (oxyde de grille) Silicium dopé Masque dur Si0 2 Transfert par un ensemble détapes de gravure par plasma Grille finale du transistor oxyde de grille grille Silicium

4 4Jérôme THIAULT - 6 décembre Nœud technologique hp65hp45hp32 CD résine après lithographie (nm) LWR 3σ résine (nm) 4, CD grille finale (nm) LWR 3σ grille (nm) 2, Véritable défi technologique pour réaliser ces transistors Source : metrology and lithography ITRS roadmap update2006 Exigences industrielles La dimension de la grille finale devient de plus en plus difficile à contrôler La feuille de route ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) définit les critères dimensionnels nécessaires au bon fonctionnement des futures générations de transistors

5 5Jérôme THIAULT - 6 décembre Point critique : La rugosité de bord de ligne Variation en dimension de la longueur de grille = Rugosité de bord de ligne Augmentation du courant de fuite Variation aléatoire du courant dans le transistor Yamaguchi et al, Proc. SPIE 5038, (2003) I on (A/µm) Log(I off ) (A/µm) M. Chandhok et al, Proc. SPIE 6519, 48, (2007) La rugosité de bord impacte directement les performances électriques du transistor Nécessaire de contrôler et de mesurer avec précision la rugosité de bord de ligne Rugosité de bord de ligne Image MEB grille en Poly-Silicium Longueur de grille

6 6Jérôme THIAULT - 6 décembre Définition mathématique Y X 1, i X X 2 X 2 X 1 CD 0 n Grille vue de dessus Line Width Roughness LWR = écart type (3 ) de la variation de CD le long de la ligne Rugosité = paramètre statistique défini par un écart type ( )

7 7Jérôme THIAULT - 6 décembre Problématique de la mesure de la rugosité Aujourdhui, aucune méthode de mesure standard nest définie pour mesurer le LWR Longueur de mesure? Nombre de lignes de mesure ? grille vue de dessus Choisir un outil pour la mesurer Déterminer les paramètres de mesure: Longueur de mesure Nombre de lignes de mesure Nécessaire détablir un protocole de mesure pour obtenir une mesure de LWR de la grille de transistor fiable et significative

8 8Jérôme THIAULT - 6 décembre Motif de résine après lithographie Grille finale après procédé de gravure plasma La rugosité de bord de la résine se transfère partiellement dans la grille finale en poly-Silicium lors du procédé de gravure plasma Transfert de la rugosité de bord Problématique du transfert de la rugosité Nécessaire de comprendre comment se transfère et évolue la rugosité de bord de ligne lors du procédé de gravure plasma Aujourdhui, meilleur LWR résine après lithographie = 6nm Exigences ITRS (2007) = 3,4nm

9 9Jérôme THIAULT - 6 décembre Objectifs de la thèse Déterminer un protocole de mesure de LWR Étudier limpact du plasma sur la rugosité de bord des lignes de résine après lithographie Comprendre lévolution de la rugosité de bord lors des différentes étapes technologiques de fabrication dune grille de transistor Contrôler la rugosité de bord de la grille finale en poly-Silicium afin de la réduire

10 10Jérôme THIAULT - 6 décembre Contexte technologique et Objectifs 2.Métrologie de la rugosité de bord de ligne 3.Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine 4.Évolution de la rugosité de bord de ligne lors dun procédé complet de gravure grille 5.Conclusion et Perspectives Sommaire 1.Contexte technologique et Objectifs 2.Métrologie de la rugosité de bord de ligne Outils de mesure La Microscopie à Force Atomique en 3D (AFM 3D) 3.Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine 4.Évolution de la rugosité de bord de ligne lors dun procédé complet de gravure grille 5.Conclusion et Perspectives

11 11Jérôme THIAULT - 6 décembre Les outils de métrologie 3 outils potentiels pour la mesure de la rugosité de bord : Technique limitée sur les matériaux fragiles 1- Le Microscope électronique à balayage en vue de dessus (CD-SEM) Avantages : Technique déjà largement utilisée en production Rapidité de la mesure Reproductibilité Inconvénients : Image en 2D Résine endommagée par le faisceau délectrons ImageSEM en vue de dessus Fond de grille Haut de grille Technique basée sur la détection des électrons secondaires Mesure du CD et LWR par analyse de contraste

12 12Jérôme THIAULT - 6 décembre La scattérométrie Basée sur la diffraction de la lumière par un réseau de lignes Contrôle des dimensions par rapport à des structures connues Avantages : Technique déjà largement utilisée en production Reproductibilité Inconvénients : Mesure uniquement de réseaux Requiert des puissances de calcul importantes Besoin de développement pour la mesure de rugosité Technique peu adaptée pour la mesure de LWR Les outils de métrologie

13 13Jérôme THIAULT - 6 décembre La Microscopie à Force Atomique en 3 dimensions (AFM 3D) Technique particulièrement adaptée à létude des mécanismes de transfert de la rugosité de bord de ligne Les outils de métrologie Technique récente (brevet IBM 1995 Veeco 2003) Basée sur la microscopie à force atomique standard Avantages : Non destructif Profil de la structure en 3D Applicable sur une large gamme de matériaux Bonne résolution ( 1nm) Référence métrologique pour la mesure de CD Inconvénients : Mesure lente pour la production Nécessaire doptimiser la technique

14 14Jérôme THIAULT - 6 décembre LAFM en 3 Dimensions 100 nm 20 nm 50 nm 220 nm Pointe évasée Diamètre ~ 50 nm Longueur ~ 220nm Rayon courbure ~ 20 nm Pointe Outil utilisé : Dimension X3D de Veeco Instrument (2004 : 1 er équipement installé en Europe) X Z Y motif Balayage Tip Balayage en X, Y, Z Oscillation de la pointe en Z

15 15Jérôme THIAULT - 6 décembre Protocole de mesure en AFM 3D 2- Scan du motif à analyser Reconstruction du profil en 3D 1- Qualification de la pointe de mesure Diamètre Longueur et rayon de courbure Dimension et forme de la pointe Diamètre Rayon coubure Longueur

16 16Jérôme THIAULT - 6 décembre Protocole de mesure en AFM 3D 3 - Déconvolution taille et forme de la pointe sur image AFM 3D CD moyen à plusieurs hauteurs Hauteur moyenne Angle moyen Ecart type du CD LWR Sur la longueur analysée : Hauteur (nm) CD (nm) Profil moyen de la structure sur la longueur analysée

17 17Jérôme THIAULT - 6 décembre Pour 100 lignes de mesuresPour une longueur de champ de mesure de 2µm Protocole de mesure de LWR Longueur du champ de mesure ? Nombre de lignes de mesure ? Ligne vue de dessus Expérience 100 lignes de mesure sur 2µm variation du nombre de lignes de mesure et de la longueur du champ de mesure Objectif : Déterminer un protocole de mesure de LWR statistiquement fiable 2µm À partir de 100 lignes

18 18Jérôme THIAULT - 6 décembre Protocole de mesure de LWR Facétage de la résine Valeurs élevées de LWR LWR moyen sur la hauteur du motif LWR = 15.4 nm Profil AFM moyen du motif sur une longueur de 2 µm Mesure de LWR tous les 20nm le long de la hauteur du motif

19 19Jérôme THIAULT - 6 décembre Limitations de lAFM 3D Interaction pointe / surface Prise de particule sur la pointe Usure prématurée de la pointe Hauteur (nm) Avant la mesure Après la mesure Diamètre = 100.8nm Diamètre = 77.3nm CD (nm) Zone dombre en bas du motif Pas dinformations dimensionnelles en bas du motif ( 40nm du fond du motif ) Profil AFM de la pointe

20 20Jérôme THIAULT - 6 décembre Conclusion : potentiel AFM 3D Protocole de mesure de LWR avec lAFM 3D 100 lignes de mesures sur 2 µm Technique qui permet lanalyse du transfert de la rugosité de bord en 3D

21 21Jérôme THIAULT - 6 décembre Sommaire 1.Contexte technologique et Objectifs 2.Métrologie de la rugosité de bord de ligne 3.Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Impact de la chimie de gravure Impact du bombardement ionique 4.Évolution de la rugosité de bord de ligne lors dun procédé complet de gravure grille 5.Conclusion et Perspectives

22 22Jérôme THIAULT - 6 décembre La gravure plasma La gravure plasma est basée sur une synergie ions/neutres : Gravure chimique = action des radicaux neutres du plasma Gravure physique = action du bombardement énergétique et directionnel des ions Paramètres de contrôle du procédé de gravure: Puissance dexcitation source (0 à 2000 W) Puissance de polarisation (0 à 200 W) Pression dans le réacteur (4 à 80 mT) Gaz injectés et leur débit (5 à 200 sccm) Flux dions Énergie des ions Chimie du plasma Générateur RF MHz plasma Evacuation des produits de gravure Introduction des gaz de gravure Antenne RF MHz Substrat de diamètre 200 mm Réacteur de gravure plasma DPS centura 5200 (Applied Materials) Plasma à couplage inductif haute densité (ni ne 10 11~12 cm -3 )

23 23Jérôme THIAULT - 6 décembre Étude expérimentale Objectif : Comprendre limpact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Protocole : Mesure en AFM 3D dun motif de résine avant et après exposition à différents traitements plasma Impact de la chimie de gravure : 0 2, SF 6, CH 2 F 2 Impact du bombardement ionique : 0 2 avec polarisation Évolution du CD Évolution de LWR le long des flancs du motif Traitement plasma BARC RESINE Lithographie CD LWR Pointe AFM3D

24 24Jérôme THIAULT - 6 décembre Contexte technologique et Objectifs 2.Métrologie de la rugosité de bord de ligne 3.Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Impact de la chimie de gravure ( 0 2, SF 6, CH 2 F 2 ) Impact du bombardement ionique 4.Évolution de la rugosité de bord de ligne lors dun procédé complet de gravure grille 5.Conclusion et Perspectives Sommaire

25 25Jérôme THIAULT - 6 décembre Plasma dO 2 sans polarisation : contrôle du CD Oxygène atomique est très réactif vis-à-vis de la résine Vitesse de gravure latérale = 4.9 nm/s; Vitesse de gravure verticale = 5 nm/s Transfert latéral des protubérances initialement présentes sur les flancs Procédé : 100 sccm O 2 / Source : 300 W / Polarisation : 0 W / 10 mT / 15s Zoom du flanc gauche du motif h = 265nm h = 200nm CD=151.8nm CD=77.6nm

26 26Jérôme THIAULT - 6 décembre Résultats en CD-SEM confirment la tendance observée en AFM 3D Pas dimpact sur le LWR Plasma dO 2 sans polarisation : LWR Lithographie CD = nm LWR = 10.2 nm CD = 82 nm LWR = 9.3 nm Plasma O 2 CD-AFM CD-SEM Lithographie : LWR = 14.4nm Après plasma O 2 : LWR = 14.7 nm LWR moyen sur la hauteur

27 27Jérôme THIAULT - 6 décembre h = 255nm h = 245nm CD=107.1nm CD=88.6nm Procédé : 100 sccm SF 6 / Source : 300 W / Polarisation : 0W / 10 mT / 20s F est chimiquement réactif avec la résine mais beaucoup moins que O Vitesse de gravure latérale = 0.9 nm/s; Vitesse de gravure verticale = 0.5 nm/s Transfert latéral des protubérances initialement présentes sur les flancs Plasma de SF 6 sans polarisation : contrôle du CD Zoom du flanc gauche du motif Hauteur (nm)

28 28Jérôme THIAULT - 6 décembre Pas dimpact sur le LWR Lithographie CD = nm LWR = 16.1 nm CD = nm LWR = 17 nm SF 6 plasma CD-AFM CD-SEM Lithographie : LWR = 19.1nm Après plasma SF 6 : LWR = 19.1 nm LWR moyen sur la hauteur Plasma de SF 6 sans polarisation : LWR Hauteur (nm)

29 29Jérôme THIAULT - 6 décembre h =255nm h =275nm CD=103.6nm CD=142.8nm Dépôt dune couche fluorocarbonée sur le haut et les flancs du motif de résine Vitesse de dépôt = 1nm/s Transfert des protubérances initialement présentes sur les flancs Procédé : 100 sccm CH 2 F 2 /Source : 300 W / Polarisation: 0W / 10 mT / 20s Plasma de CH 2 F 2 : contrôle du CD Zoom du flanc gauche du motif Hauteur (nm)

30 30Jérôme THIAULT - 6 décembre La formation dun dépôt tend à augmenter le LWR Lithographie Après plasma CH 2 F 2 CD = nm LWR = 15.3 nm CD = nm LWR = 12.2 nm CD-AFM CD-SEM Lithographie : LWR = 19.4nm Après plasma CH 2 F 2 : LWR = 21.4 nm Plasma de CH 2 F 2 : LWR LWR moyen sur la hauteur Hauteur (nm)

31 31Jérôme THIAULT - 6 décembre Quand les interactions plasma / résine sont fortement contrôlées par les neutres radicalaires du plasma, la rugosité de bord de ligne de la résine nest pas diminuée. Conclusion Impact de la chimie du plasma sur LWR

32 32Jérôme THIAULT - 6 décembre Contexte technologique et Objectifs 2.Métrologie de la rugosité de bord de ligne 3.Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Impact de la chimie de plasma (0 2,SF 6,CH 2 F 2 ) Impact du bombardement ionique 4.Évolution de la rugosité de bord lors dun procédé complet de gravure grille 5.Conclusion et Perspectives Sommaire

33 33Jérôme THIAULT - 6 décembre h = 211nm CD=112.6nm CD=80.5nm h =255nm Procédé : 100 sccm O 2 / Source : 300 W / Polarisation: 50 W / 10 mT / 7s Vitesse de gravure verticale = 6.3 nm/s Vitesse de gravure latérale = 4.6 nm/s Le profil de la résine apparaît plus lisse Plasma dO 2 avec polarisation : Contrôle du CD Zoom du flanc gauche du motif Érosion des protubérances initialement présentes sur les flancs de la résine Hauteur (nm)

34 34Jérôme THIAULT - 6 décembre Lajout de bombardement ionique énergétique et directif conduit à une diminution du LWR CD = 88.5 nm LWR = 11.8 nm Lithographie plasma O 2 avec polarisation CD = 119.4nm LWR = 15.1 nm CD-AFM CD-SEM Lithographie : LWR = 23.8nm Après plasma O 2 : LWR = 16.2 nm LWR moyen sur la hauteur Plasma dO 2 avec polarisation : LWR Hauteur (nm) Diminution LWR

35 35Jérôme THIAULT - 6 décembre Le bombardement ionique énergétique et directif est responsable de la réduction de la rugosité de bord de la résine par érosion des protubérances initialement présentes sur le flanc des motifs Conclusion Impact du bombardement ionique sur LWR de la résine

36 36Jérôme THIAULT - 6 décembre Sommaire 1.Contexte technologique et objectifs 2.Métrologie de la rugosité de bord de ligne 3.Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine 4.Evolution de la rugosité de bord lors dun procédé complet de gravure grille 5.Conclusion et Perspectives

37 37Jérôme THIAULT - 6 décembre Objectif : Transfert de LWR lors des différentes étapes de gravure permettant délaborer une grille de transistor Étude expérimentale Résine BARC 75nm P-Si 100nm SiO 2 2nm Si Bulk 1 - Lithographie 2 - Gravure BARC 3 - Gravure grille 4 - Retrait résine + bain HF Mesure du CD et de LWR dans toutes les couches après chaque étape technologique de fabrication Protocole AFM 3D Surface analysée par AFM

38 38Jérôme THIAULT - 6 décembre Évolution CD Hauteur (nm) Résine CD (nm) Protocole expérimental Évolution LWR le long des flancs Poly-Si BARC Resine Hauteut (nm) LWR 3 (nm) Facetage Diminution LWR Le LWR moyen est diminué après chaque étape de gravure Épaisseur de la couche de passivation CD 1 CD 2 CD 3 CD 4 CD 5

39 39Jérôme THIAULT - 6 décembre Gravure du BARC Objectif : Impact de la gravure BARC sur la rugosité de bord de la résine CF 4 Cl 2 /O 2 La gravure BARC conduit à une diminution de LWR de la résine Diminution de LWR plus importante en chimie Cl 2 /O 2 LWR litho = 15,4nm LWR barc = 13,1nm - 2,3nm Diminution LWR LWR litho = 17,5nm LWR barc = 11,5nm - 6nm Diminution LWR Expérience : Comparaison de deux chimies de gravure BARC (CF 4 et Cl 2 /O 2 )

40 40Jérôme THIAULT - 6 décembre lithographieBARCgrillegrille finale LWR 3 (nm) étapes technologiques ouverture BARC en CF 4 ouverture BARC en Cl 2 /O 2 Gravure du BARC : impact sur LWR de la grille finale Objectif : Impact sur la rugosité de bord de la grille finale CF 4 LWR litho = 15,4nm LWR grille finale = 13,1nm - 2,3nm Cl 2 /O 2 LWR litho = 17,5nm LWR grille finale = 11,5nm - 6nm Dans les deux cas, le LWR du masque avant gravure (LWR après gravure BARC) est transféré dans la grille finale sur résine sur BARC sur P-Si LWR 3 (nm) Ouverture BARC en Cl 2 /O 2 Ouverture BARC en CF 4 Expérience : Comparaison des deux chimies de gravure BARC avec une gravure grille en HBr/ Cl 2 / O 2

41 41Jérôme THIAULT - 6 décembre Introduction dun masque dur SiO 2 LithographieGravure BARC Gravure grille Retrait résine + bain HF Étapes technologiques LWR moyen 3 (nm) Résine LWR LWR BARC LWR Poly-Si Lithographie Gravure BARC Gravure masque dur Gravure grille HF Étapes technologiques LWR moyen 3 (nm) LWR Résine LWR Barc LWR SiO 2 LWR Poly-Si Masque résine Masque dur SiO 2 Objectif : Impact sur la rugosité de bord de la grille finale LWR = -3nm LWR = -7nm LWR du masque avant gravure est transféré dans la grille finale LWR de la grille finale est plus faible avec un masque dur en SiO 2 Expérience : Gravure BARC et masque dur en CF 4 gravure grille en HBr/ Cl 2 / O 2

42 42Jérôme THIAULT - 6 décembre Conclusion Avec une chimie de gravure grille en HBr/Cl 2 /O 2, le paramètre important pour contrôler la rugosité de bord de la grille finale est la rugosité du masque avant de commencer la gravure de la grille

43 43Jérôme THIAULT - 6 décembre Sommaire 1.Contexte technologique et Objectifs 2.Métrologie de la rugosité de bord de ligne 3.Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine 4.Evolution de la rugosité de bord lors dun procédé complet de gravure grille 5.Conclusion et Perspectives

44 44Jérôme THIAULT - 6 décembre Conclusion générale AFM 3D Mise au point dun protocole de mesure de LWR statistiquement fiable Permet une analyse fine du transfert de la rugosité de bord lors de lensemble des procédés de gravure plasma Laction des neutres radicalaires du plasma ne conduit pas à un lissage du motif de résine Laction du bombardement ionique énergétique et directif joue un rôle important dans la diminution de la rugosité de bord Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Avec une chimie de gravure grille en HBr/Cl 2 /O 2, Le paramètre important pour contrôler la rugosité de bord de grille finale est la rugosité du masque avant la gravure de la grille Évolution de LWR lors dun procédé de gravure grille

45 45Jérôme THIAULT - 6 décembre Perspectives Étudier les origines de la rugosité en lithographie (formulation chimique des résines, paramètres outil dinsolation,…) Comprendre les origines de la rugosité de bord pour la contrôler Meilleure compréhension des mécanismes de transfert de la rugosité de bord Étude du transfert de la rugosité de bord lors des procédés de gravure plasma dans des empilements de grille plus complexes Optimisation technique AFM 3D: Problème prise de particule : Dépôt sur les pointes Mesures plus précises : Pointes de mesure de plus faible diamètre (nanotube de carbone)

46 46Jérôme THIAULT - 6 décembre Merci à tous de votre attention

47 47Jérôme THIAULT - 6 décembre Principe de lAFM 3D - mode CD 1 – La pointe vient au contact du motif Lamplitude passe de A libre à 0 (pointe collée) Lamplitude du point de mesure est choisi entre ces deux valeurs Calcul de la pente locale avec la position des derniers points de mesure 3 – La pointe se déplace parallèlement la pente locale pour un nouveau cycle de mesure Cycle de mesure en mode CD Motif 2 3 Pointe Levier 2 - La pointe se retire de la surface La direction de rétroaction est perpendiculaire à la pente locale La pointe retrouve son amplitude libre Possibilité de prise de particule sur la pointe ou usure prématuré


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