Étude par microscopie à force atomique en trois dimensions de l’évolution de la rugosité de bord de ligne lors de la fabrication d’une grille de transistor.

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

2 Contexte technologique
Le transistor MOS (Metal Oxyde Semi-conducteur) Source Dopée N Drain Dopé N Grille Oxyde de grille Substrat Silicium dopé P Canal de conduction Vd Vg Vs espaceur Isolation latérale (STI) État bloqué Vg ≤ 0V État passant Vg > Vseuil Développement de la microélectronique Hausse de la vitesse de fonctionnement des dispositifs Augmentation du nombre de transistors par puce Réduction des coûts de fabrication d’une fonction élémentaire Miniaturisation des composants Vous avez tous dans votre poche un téléphone ou un ordinateur qui sont capable de faire des fonctions toujours plus complexes et ce tjrs plus rapidement. Ceci est due a une croissance exceptionnel de l’industrie de la microélectronique. Cette evolution remarquable est fortement liés à la miniaturasition des composants. En effet cette diminution des dimensions des elements de base permet Hausse vitesse fctnt Augmentation densite integration Reduction cout fabrication fct elemen,taire Jérôme THIAULT décembre

3 Fabrication grille transistor MOS
Lithographie Masque Résine BARC Poly- Silicium (grille) SiO2 (oxyde de grille) Silicium dopé Masque dur Si02 Grille finale du transistor oxyde de grille grille Silicium Transfert par un ensemble d’étapes de gravure par plasma Jérôme THIAULT décembre

4 Exigences industrielles
La feuille de route ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) définit les critères dimensionnels nécessaires au bon fonctionnement des futures générations de transistors 2005 2007 2010 2013 Nœud technologique hp65 hp45 hp32 CD résine après lithographie (nm) 53 42 30 21 LWR 3σ résine (nm) 4,2 3.4 2.4 1.7 CD grille finale (nm) 32 25 18 13 LWR 3σ grille (nm) 2,6 2 1.4 1 Source : metrology and lithography ITRS roadmap update2006 La dimension de la grille finale devient de plus en plus difficile à contrôler Véritable défi technologique pour réaliser ces transistors Jérôme THIAULT décembre

5 Point critique : La rugosité de bord de ligne
Image MEB grille en Poly-Silicium Variation en dimension de la longueur de grille = Rugosité de bord de ligne Longueur de grille Augmentation du courant de fuite Variation aléatoire du courant dans le transistor Yamaguchi et al, Proc. SPIE 5038, (2003) Ion (A/µm) Log(Ioff) (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 Jérôme THIAULT décembre

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

7 Nombre de lignes de mesure ?
Problématique de la mesure de la rugosité Aujourd’hui, aucune méthode de mesure standard n’est définie pour mesurer le LWR Nécessaire d’établir un protocole de mesure pour obtenir une mesure de LWR de la grille de transistor fiable et significative 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 Jérôme THIAULT décembre

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

9 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Objectifs de la thèse Contrôler la rugosité de bord de la grille finale en poly-Silicium afin de la réduire Déterminer un protocole de mesure de LWR Étudier l’impact du plasma sur la rugosité de bord des lignes de résine après lithographie Comprendre l’évolution de la rugosité de bord lors des différentes étapes technologiques de fabrication d’une grille de transistor Jérôme THIAULT décembre

10 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Sommaire Contexte technologique et Objectifs Métrologie de la rugosité de bord de ligne Outils de mesure La Microscopie à Force Atomique en 3D (AFM 3D) Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Évolution de la rugosité de bord de ligne lors d’un procédé complet de gravure grille Conclusion et Perspectives Contexte technologique et Objectifs Métrologie de la rugosité de bord de ligne Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Évolution de la rugosité de bord de ligne lors d’un procédé complet de gravure grille Conclusion et Perspectives Jérôme THIAULT décembre

11 Technique limitée sur les matériaux fragiles
Les outils de métrologie 3 outils potentiels pour la mesure de la rugosité de bord : 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 d’électrons 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 Technique limitée sur les matériaux fragiles Jérôme THIAULT décembre

12 Technique peu adaptée pour la mesure de LWR
Les outils de métrologie 2- 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 Jérôme THIAULT décembre

13 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Les outils de métrologie 3- La Microscopie à Force Atomique en 3 dimensions (AFM 3D) Technique récente (brevet IBM 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 d’optimiser la technique Technique particulièrement adaptée à l’étude des mécanismes de transfert de la rugosité de bord de ligne Jérôme THIAULT décembre

14 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
L’AFM en 3 Dimensions Outil utilisé : Dimension X3D de Veeco Instrument (2004 : 1er équipement installé en Europe) 100 nm 20 nm 50 nm 220 nm Pointe évasée Diamètre ~ 50 nm Longueur ~ 220nm Rayon courbure ~ 20 nm Pointe X Z Y motif Balayage Tip Balayage en X, Y, Z Oscillation de la pointe en Z Jérôme THIAULT décembre

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

16 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 Jérôme THIAULT décembre

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

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

19 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Limitations de l’AFM 3D Interaction pointe / surface Zone d’ombre en bas du motif Pas d’informations dimensionnelles en bas du motif (40nm du fond du motif ) Hauteur (nm) Avant la mesure Après la mesure Diamètre = 100.8nm Diamètre = 77.3nm CD (nm) Profil AFM de la pointe Prise de particule sur la pointe Usure prématurée de la pointe Jérôme THIAULT décembre

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

21 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Sommaire Contexte technologique et Objectifs Métrologie de la rugosité de bord de ligne Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Impact de la chimie de gravure Impact du bombardement ionique Évolution de la rugosité de bord de ligne lors d’un procédé complet de gravure grille Conclusion et Perspectives Jérôme THIAULT décembre

22 Réacteur de gravure plasma
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 Générateur RF 13.56 MHz plasma Evacuation des produits de gravure Introduction des gaz de gravure Antenne RF 12.56 MHz Substrat de diamètre 200 mm Réacteur de gravure plasma DPS centura 5200 (Applied Materials) Plasma à couplage inductif haute densité (ni ≈ ne ≈1011~12 cm-3) Paramètres de contrôle du procédé de gravure: Puissance d’excitation 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 d’ions Énergie des ions Chimie du plasma Jérôme THIAULT décembre

23 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Étude expérimentale Objectif : Comprendre l’impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Protocole : Mesure en AFM 3D d’un motif de résine avant et après exposition à différents traitements plasma Impact de la chimie de gravure : 02, SF6, CH2F2 Impact du bombardement ionique : 02 avec polarisation Traitement plasma BARC RESINE Lithographie CD LWR Pointe AFM3D Évolution du CD Évolution de LWR le long des flancs du motif Jérôme THIAULT décembre

24 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Sommaire Contexte technologique et Objectifs Métrologie de la rugosité de bord de ligne Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Impact de la chimie de gravure (02, SF6, CH2F2) Impact du bombardement ionique Évolution de la rugosité de bord de ligne lors d’un procédé complet de gravure grille Conclusion et Perspectives Jérôme THIAULT décembre

25 Plasma d’O2 sans polarisation : contrôle du CD
Procédé : 100 sccm O2 / 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 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 Jérôme THIAULT décembre

26 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Plasma d’O2 sans polarisation : LWR CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 14.4nm Après plasma O2 : LWR = 14.7 nm CD-SEM Lithographie Plasma O2 CD = nm LWR = 10.2 nm CD = 82 nm LWR = 9.3 nm Résultats en CD-SEM confirment la tendance observée en AFM 3D Pas d’impact sur le LWR Jérôme THIAULT décembre

27 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Plasma de SF6 sans polarisation : contrôle du CD Procédé : 100 sccm SF6 / Source : 300 W / Polarisation : 0W / 10 mT / 20s Zoom du flanc gauche du motif h = 255nm h = 245nm CD=107.1nm Hauteur (nm) CD=88.6nm Hauteur (nm) 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 Jérôme THIAULT décembre

28 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Plasma de SF6 sans polarisation : LWR CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 19.1nm Après plasma SF6 : LWR = 19.1 nm Hauteur (nm) CD-SEM Lithographie SF6 plasma CD = nm LWR = 16.1 nm CD = nm LWR = 17 nm Pas d’impact sur le LWR Jérôme THIAULT décembre

29 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Plasma de CH2F2 : contrôle du CD Procédé : 100 sccm CH2F2 /Source : 300 W / Polarisation: 0W / 10 mT / 20s Zoom du flanc gauche du motif h =275nm h =255nm CD=103.6nm Hauteur (nm) CD=142.8nm Hauteur (nm) Dépôt d’une 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 Jérôme THIAULT décembre

30 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Plasma de CH2F2 : LWR CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 19.4nm Après plasma CH2F2 : LWR = 21.4 nm Hauteur (nm) CD-SEM Lithographie Après plasma CH2F2 CD = nm LWR = 12.2 nm CD = nm LWR = 15.3 nm La formation d’un dépôt tend à augmenter le LWR Jérôme THIAULT décembre

31 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Conclusion Impact de la chimie du plasma sur LWR Quand les interactions plasma / résine sont fortement contrôlées par les neutres radicalaires du plasma, la rugosité de bord de ligne de la résine n’est pas diminuée. Jérôme THIAULT décembre

32 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Sommaire Contexte technologique et Objectifs Métrologie de la rugosité de bord de ligne Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Impact de la chimie de plasma (02 ,SF6,CH2F2) Impact du bombardement ionique Évolution de la rugosité de bord lors d’un procédé complet de gravure grille Conclusion et Perspectives Jérôme THIAULT décembre

33 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Plasma d’O2 avec polarisation : Contrôle du CD Procédé : 100 sccm O2 / Source : 300 W / Polarisation: 50 W / 10 mT / 7s Zoom du flanc gauche du motif h =255nm h = 211nm Hauteur (nm) CD=112.6nm Hauteur (nm) CD=80.5nm Vitesse de gravure verticale = 6.3 nm/s Vitesse de gravure latérale = 4.6 nm/s Le profil de la résine apparaît plus lisse Érosion des protubérances initialement présentes sur les flancs de la résine Jérôme THIAULT décembre

34 plasma O2 avec polarisation Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Plasma d’O2 avec polarisation : LWR CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 23.8nm Après plasma O2 : LWR = 16.2 nm Hauteur (nm) Diminution LWR CD-SEM Lithographie plasma O2 avec polarisation CD = nm LWR = 15.1 nm CD = 88.5 nm LWR = 11.8 nm L’ajout de bombardement ionique énergétique et directif conduit à une diminution du LWR Jérôme THIAULT décembre

35 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Conclusion Impact du bombardement ionique sur LWR de la résine 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 Jérôme THIAULT décembre

36 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Sommaire Contexte technologique et objectifs Métrologie de la rugosité de bord de ligne Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Evolution de la rugosité de bord lors d’un procédé complet de gravure grille Conclusion et Perspectives Jérôme THIAULT décembre

37 4 - Retrait résine + bain HF Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Étude expérimentale Objectif : Transfert de LWR lors des différentes étapes de gravure permettant d’élaborer une grille de transistor Protocole AFM 3D Surface analysée par AFM Résine BARC 75nm P-Si 100nm SiO2 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 Jérôme THIAULT décembre

38 Épaisseur de la couche de passivation
Protocole expérimental Évolution LWR le long des flancs 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 -150 -100 -50 50 100 150 200 250 300 Poly-Si BARC Resine Hauteut (nm) LWR 3 (nm) CD1 CD2 CD3 CD4 CD5 Évolution CD Hauteur (nm) Facetage Diminution LWR Résine Épaisseur de la couche de passivation CD (nm) Le LWR moyen est diminué après chaque étape de gravure Jérôme THIAULT décembre

39 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Gravure du BARC Objectif : Impact de la gravure BARC sur la rugosité de bord de la résine Expérience : Comparaison de deux chimies de gravure BARC (CF4 et Cl2/O2) CF4 Cl2/O2 LWRlitho = 17,5nm LWRbarc = 11,5nm - 6nm Diminution LWR LWRlitho = 15,4nm LWRbarc = 13,1nm - 2,3nm Diminution LWR La gravure BARC conduit à une diminution de LWR de la résine Diminution de LWR plus importante en chimie Cl2/O2 Jérôme THIAULT décembre

40 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Gravure du BARC : impact sur LWR de la grille finale Objectif : Impact sur la rugosité de bord de la grille finale Expérience : Comparaison des deux chimies de gravure BARC avec une gravure grille en HBr/ Cl2/ O2 lithographie BARC grille grille finale 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 LWR 3 d (nm) étapes technologiques ouverture BARC en CF ouverture BARC en Cl /O Ouverture BARC en Cl2/O2 Ouverture BARC en CF4 CF4 LWRlitho = 15,4nm LWRgrille finale = 13,1nm - 2,3nm LWR 3 (nm) sur résine sur P-Si sur résine Cl2/O2 LWRlitho = 17,5nm LWRgrille finale = 11,5nm - 6nm sur BARC Dans les deux cas, le LWR du masque avant gravure (LWR après gravure BARC) est transféré dans la grille finale Jérôme THIAULT décembre

41 Étapes technologiques
Introduction d’un masque dur SiO2 Objectif : Impact sur la rugosité de bord de la grille finale Expérience : Gravure BARC et masque dur en CF gravure grille en HBr/ Cl2/ O2 Masque dur SiO2 Masque résine Lithographie Gravure BARC Gravure masque dur Gravure grille HF 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Étapes technologiques LWR moyen 3 (nm) LWR Résine LWR Barc LWR SiO2 LWR Poly-Si 15 14 LWR Résine LWR BARC 13 LWR Poly-Si LWR moyen 3 (nm) 12 11 10 9 8 7 6 Lithographie Gravure BARC Gravure grille Retrait résine + bain HF Étapes technologiques 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 SiO2 Jérôme THIAULT décembre

42 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Conclusion Avec une chimie de gravure grille en HBr/Cl2/O2, 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 Jérôme THIAULT décembre

43 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Sommaire Contexte technologique et Objectifs Métrologie de la rugosité de bord de ligne Impact de la gravure plasma sur la rugosité de bord de la résine Evolution de la rugosité de bord lors d’un procédé complet de gravure grille Conclusion et Perspectives Jérôme THIAULT décembre

44 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Conclusion générale AFM 3D Mise au point d’un protocole de mesure de LWR statistiquement fiable Permet une analyse fine du transfert de la rugosité de bord lors de l’ensemble des procédés de gravure plasma L’action des neutres radicalaires du plasma ne conduit pas à un lissage du motif de résine L’action 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/Cl2/O2, 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 d’un procédé de gravure grille Jérôme THIAULT décembre

45 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Perspectives 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) 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 Étudier les origines de la rugosité en lithographie (formulation chimique des résines, paramètres outil d’insolation ,…) Comprendre les origines de la rugosité de bord pour la contrôler Jérôme THIAULT décembre

46 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -
Merci à tous de votre attention Jérôme THIAULT décembre

47 Principe de l’AFM 3D - mode CD
Cycle de mesure en mode CD Pointe Levier Motif 4 3 3 2 1 2 1 – La pointe vient au contact du motif L’amplitude passe de A libre à  0 (pointe collée) L’amplitude du point de mesure est choisi entre ces deux valeurs Calcul de la pente locale avec la position des derniers points de mesure 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 3 – La pointe se déplace parallèlement la pente locale pour un nouveau cycle de mesure Jérôme THIAULT décembre