Directeur de thèse: Olivier JOUBERT (CNRS)

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)

Vg espaceur Vd Vs Grille Isolation latérale (STI) • État bloqué Vg ≤ 0V • État passant Vg > Vseuil Oxyde de grille DrainDopé N Source Dopée N Canal de conduction Substrat Silicium dopé P Développement de la microélectronique Miniaturisation des composants • Hausse de la vitesse de fonctionnement des dispositifs • Augmentation du nombre de transistors par puce • Réduction des coûts de fabrication d’une fonction élémentaire Contexte technologique Le transistor MOS (Metal Oxyde Semi-conducteur) Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Grille finale du transistor Masque Résine BARC Masque dur Si02 Poly- Silicium (grille) grille oxyde de grille SiO2 (oxyde de grille) Silicium dopé Silicium Transfert par un ensemble d’étapes de gravure par plasma Fabrication grille transistor MOS Lithographie Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

La dimension de la grillefinaledevient de plus en plus difficile à contrôler Véritable défi technologique pour réaliser ces transistors 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 Source : metrology and lithography ITRS roadmap update2006 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

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

Grille vue de dessus Y X X 1 2 n CD Line Width RoughnessLWR = écart type (3)de la variation de CD le long de la ligne X 0 X X 2 , i 1 , i Définition mathématique Rugosité = paramètre statistique défini par un écart type () Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Problématique de la mesure de la rugosité Nécessaire d’établir un protocole de mesurepour obtenir une mesure de LWR de la grillede transistor fiable et significative grille vue de dessus • Choisir un outil pour la mesurer • Déterminer les paramètres de mesure: • Longueur de mesure • Nombre delignes de mesure Nombre de lignes de mesure ? Longueur de mesure? Aujourd’hui, aucune méthode de mesure standard n’est définie pour mesurer le LWR Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

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

Les outils de métrologie 1- Le Microscope électronique à balayage en vue de dessus (CD-SEM) • Technique basée sur la détection des électrons secondaires • Mesure du CD et LWR par analyse de contraste Haut de grille • Avantages : • Technique déjà largement utilisée en production • Rapidité de la mesure • Reproductibilité • Inconvénients : • Image en 2D • Résine endommagée par le faisceau d’électrons Fond de grille ImageSEM en vue de dessus Technique limitée sur les matériaux fragiles 3 outils potentiels pour la mesure de la rugosité de bord : Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Les outils de métrologie • 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 2- La scattérométrie Technique peu adaptée pour la mesure de LWR • Basée sur la diffraction de la lumière par un réseau de lignes • Contrôle des dimensions par rapport à des structures connues Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Les outils de métrologie • 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 3- La Microscopie à Force Atomique en 3 dimensions (AFM 3D) • Technique récente (brevet IBM 1995 Veeco 2003) • Basée sur la microscopie à force atomique standard Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

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

Diamètre 1- Qualification de la pointe de mesure Rayon coubure Longueur Diamètre Longueur et rayon de courbure Dimension et forme de la pointe 2- Scan du motif à analyser Reconstruction du profil en 3D Protocole de mesure en AFM 3D Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Protocole de mesure en AFM 3D Hauteur (nm) Sur la longueur analysée : • CD moyen à plusieurs hauteurs • Hauteur moyenne • Angle moyen • Ecart type du CD LWR CD (nm) Profil moyen de la structure sur la longueur analysée 3 - Déconvolution taille et forme de la pointe sur image AFM 3D Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Protocole de mesure de LWR Ligne vue de dessus Nombre de lignes de mesure ? Longueur du champ de mesure ? Pour 100 lignes de mesures Pour une longueur de champ de mesure de 2µm À partir de 100 lignes 2µm 100 lignes de mesure sur 2µm Objectif: Déterminer un protocole de mesure de LWR statistiquement fiable Expérience variation du nombre de lignes de mesure et de la longueur du champ de mesure Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Protocole de mesure de LWR Facétage de la résine Valeurs élevées de LWR LWR = 15.4 nm LWR moyen sur la hauteur du motif Profil AFM moyen du motif sur une longueur de 2 µm Mesure de LWR tous les 20nm le long de la hauteur du motif Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

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

Conclusion : potentiel AFM 3D Protocole de mesure de LWR avec l’AFM 3D 100 lignes de mesures sur 2 µm Technique qui permet l’analyse du transfert de la rugosité de bord en 3D 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 - 6 décembre 2007 -

La gravure plasma Antenne RF 12.56 MHz Réacteur de gravure plasma Evacuation des produits de gravure Introduction des gaz de gravure DPS centura 5200(Applied Materials) Plasma à couplage inductif haute densité (ni ≈ ne≈1011~12 cm-3) plasma Générateur RF 13.56 MHz Substrat de diamètre 200 mm 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 • 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 Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Étude expérimentale Pointe AFM3D CD RESINE LWR BARC Traitement plasma Lithographie Traitement plasma • Évolution du CD • Évolution de LWR le long des flancs du motif • 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 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 - 6 décembre 2007 -

Plasma d’O2 sans polarisation : contrôle du CD Procédé : 100 sccmO2/ 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 - 6 décembre 2007 -

Résultats en CD-SEM confirment la tendance observée en AFM 3D • Pas d’impact sur le LWR Plasma d’O2 sans polarisation : LWR • CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 14.4nmAprès plasma O2 : LWR = 14.7 nm • CD-SEM Lithographie Plasma O2 CD = 82 nmLWR = 9.3 nm CD = 150.4 nmLWR = 10.2 nm Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

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 SF6 sans polarisation : contrôle du CD Procédé : 100 sccmSF6/ 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) Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Plasma de SF6 sans polarisation : LWR Pas d’impact sur le LWR • CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 19.1nmAprès plasma SF6 : LWR = 19.1 nm Hauteur (nm) • CD-SEM Lithographie SF6 plasma CD = 101.3 nmLWR = 17 nm CD = 117.3 nmLWR = 16.1 nm Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Plasma de CH2F2 : contrôle du CD • 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 Procédé : 100 sccmCH2F2/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) Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Plasma de CH2F2 : LWR La formation d’un dépôt tend à augmenter le LWR • CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 19.4nmAprès plasma CH2F2 : LWR = 21.4 nm Hauteur (nm) • CD-SEM Lithographie Après plasma CH2F2 CD = 118.2 nmLWR = 12.2 nm CD = 155.9 nmLWR = 15.3 nm 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 - 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 - 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 CD=112.6nm Hauteur (nm) 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 - 6 décembre 2007 -

L’ajout de bombardement ionique énergétique et directif conduit à une diminution du LWR Plasma d’O2 avec polarisation : LWR • CD-AFM LWR moyen sur la hauteur Lithographie : LWR = 23.8nmAprès plasma O2 : LWR = 16.2 nm Hauteur (nm) Diminution LWR • CD-SEM plasma O2 avec polarisation Lithographie CD = 119.4nmLWR = 15.1 nm CD = 88.5 nmLWR = 11.8 nm Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Conclusion Impact du bombardement ionique sur LWR de la résine Le bombardement ioniqueénergétique 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 - 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 - 6 décembre 2007 -

Étude expérimentale Surface analysée par AFM • Objectif : Transfert de LWR lors des différentes étapes de gravure permettant d’élaborer une grille de transistor • Protocole AFM 3D Résine BARC 75nm P-Si 100nm SiO2 2nm Si Bulk 2 - Gravure BARC 4 - Retrait résine+ bain HF 1 - Lithographie 3 - Gravure grille Mesure du CD et de LWR dans toutes les couches après chaque étape technologique de fabrication Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Protocole expérimental • Évolution LWR le long des flancs Facetage 300 250 200 150 100 Hauteut (nm) 50 Resine 0 BARC -50 -100 Poly-Si -150 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 LWR 3 (nm) CD1 Épaisseur de la couche de passivation CD2 Le LWR moyen est diminué après chaque étape de gravure CD4 CD3 CD5 • Évolution CD Hauteur (nm) Diminution LWR Résine CD (nm) Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Cl2/O2 CF4 Diminution LWR Diminution LWR LWRlitho = 17,5nm LWRbarc = 11,5nm LWRlitho = 15,4nm LWRbarc = 13,1nm - 2,3nm - 6nm • La gravure BARC conduit à une diminution de LWR de la résine • Diminution de LWR plus importante en chimie Cl2/O2 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) Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Gravure du BARC : impact sur LWR de la grille finale ouverture BARC en CF 4 ouverture BARC en Cl /O 20 2 2 19 Ouverture BARC en CF4 18 Ouverture BARC en Cl2/O2 17 CF4 LWRlitho = 15,4nm LWRgrille finale = 13,1nm 16 15 14 - 2,3nm 13 12 (nm) 11 d 10 9 LWR 3 8 7 Cl2/O2 LWRlitho = 17,5nm LWRgrille finale = 11,5nm 6 5 4 3 - 6nm 2 1 0 lithographie BARC grille grille finale étapes technologiques Dans les deux cas, le LWR du masque avant gravure (LWR après gravure BARC) est transféré dans 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 LWR 3 (nm) sur résine sur P-Si sur résine sur BARC Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Introduction d’un masque dur SiO2 17 LWR Résine 16 LWR Barc 15 LWRSiO2 LWR Poly-Si 14 13 LWR moyen 3 (nm) 12 11 10 9 8 7 6 HF Gravure BARC Gravure grille Gravure masque dur Lithographie Étapes technologiques • 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 • Objectif : Impact sur la rugosité de bord de la grille finale • Expérience: Gravure BARC et masque dur en CF4 gravure grille en HBr/ Cl2/ O2 Masque dur SiO2 Masque résine 15 14 LWR Résine LWR BARC 13 LWR Poly-Si 12 LWR moyen 3 (nm) 11 10 9 8 7 6 Lithographie Gravure BARC Gravure grille Retrait résine + bain HF Étapes technologiques LWR = -3nm LWR = -7nm 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 - 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 - 6 décembre 2007 -

AFM 3D • Mise au point d’un protocole de mesurede LWR statistiquement fiable • Permet une analyse finedu 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 ioniqueénergétique 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 • Évolution de LWR lors d’un procédé de gravure grille 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 Conclusion générale Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

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) • Étude du transfert de la rugosité de bord lors des procédés de gravure plasma dans des empilements de grille plus complexes Meilleure compréhension des mécanismes de transfert de la rugosité de bord • 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 Perspectives Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

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

Levier Pointe • 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 Principe de l’AFM 3D - mode CD Cycle de mesure en mode CD 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 3 – La pointe se déplace parallèlement la pente locale pour un nouveau cycle de mesure Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Directeur de thèse: Olivier JOUBERT (CNRS)