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

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

2Jérôme THIAULT - 6 décembre 2007 -

Contexte technologique

SourceDopée 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 d’une fonction élémentaire

Miniaturisation des composants

État bloqué Vg ≤ 0V

État passant Vg > Vseuil


Lithographie

Fabrication grille transistor MOS

Masque Résine

BARC

Poly- Silicium (grille)

SiO2 (oxyde de grille)

Silicium dopé

Masque dur Si02

Transfert par un ensemble d’étapes de gravure par plasma

Grille finale du transistor

oxyde de grille

grille

Silicium


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

Véritable défi technologique pour réaliser ces transistors

Source : metrology and lithography ITRS roadmap update2006

Exigences industrielles

La dimension de la grille finaledevient 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


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)

Ion (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


Définition mathématique

Y

X1, i

X

X2, i

X2 X1

CD

0

n

Grille vue de dessus

n

CDCDj

CDLWR

n

j

0

2)(

3)(3

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 ()


Problématique de la mesure de la rugosité

Aujourd’hui, aucune méthode de mesure standard n’est 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 d’établir un protocole de mesure pour obtenir une mesure de LWR

de la grille de transistor fiable et significative


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

Aujourd’hui, meilleur LWR résine après lithographie = 6nmExigences ITRS (2007) = 3,4nm


Objectifs de la thèse

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

Contrôler la rugosité de bord de la grille finale en poly-Silicium afin de la réduire


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. Évolution de la rugosité de bord de ligne lors d’un procédé complet de gravure grille

5. Conclusion et Perspectives

Sommaire


2. Métrologie de la rugosité de bord de ligne Outils de mesure La Microscopie à Force Atomique en 3D (AFM 3D)





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 d’électrons

ImageSEM en vue de dessusFond de grille

Haut de grille

Technique basée sur la détection des électrons secondaires

Mesure du CD et LWR par analyse de contraste


2- La scattérométrie

Basée sur la diffraction de la lumière par un réseau de lignesContrôle 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


3- La Microscopie à Force Atomique en 3 dimensions (AFM 3D)

Technique particulièrement adaptée à l’étude 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 d’optimiser la technique


L’AFM 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 : 1er équipement installé en Europe)

X

Z Y

motif

Balayage

Tip

Balayage en X, Y, Z

Oscillation de la pointe en Z


Protocole de mesure en AFM 3D

2- Scan du motif à analyser

Reconstruction du profil en 3D

1- Qualification de la pointe de mesure

WWld ld

Diamètre Longueur et rayon de courbure

Dimension et forme de la pointe

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

ha

ute

ur

(nm

)

diametre (nm)

Diamètre

Rayon coubure

Longueur


Protocole de mesure en AFM 3D3 - 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 :-100-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

profil moyen

heig

ht (

nm)

CD (nm)

Ha

ute

ur

(nm

)

CD (nm)

Profil moyen de la structuresur la longueur analysée


Pour 100 lignes de mesures Pour 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


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


Limitations de l’AFM 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 d’ombre en bas du motif

Pas d’informations dimensionnelles en bas du motif

(40nm du fond du motif )

Profil AFM de la pointe


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


Sommaire




Impact de la chimie de gravure Impact du bombardement ionique




La gravure plasmaLa 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 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’ionsÉnergie des ions

Chimie du plasma

Générateur RF13.56 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)


Étude expérimentaleObjectif : 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

Évolution du CD

Évolution de LWR le long des flancs du motif

Traitement plasma

Traitement plasma

BARC

RESINE

Lithographie

CD

LWR

Pointe AFM3D





Impact de la chimie de gravure (02, SF6, CH2F2)

Impact du bombardement ionique



Sommaire


-200 -100 0 1000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

Hau

teu

r (n

m)

CD (nm)

lithographie après plasma O

2- 15s

-78 -76 -74 -72 -70 -68 -66 -64 -62 -600

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Hau

teu

r (n

m)

CD (nm)

Lithographie Plasma O

2- 15s

Plasma d’O2 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 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


Résultats en CD-SEM confirment la tendance observée en AFM 3DPas d’impact sur le LWR

Plasma d’O2 sans polarisation : LWR

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

20406080

100120140160180200220240260

LWR = 14.4nmLWR = 14.7nm

hau

teu

r (n

m)

LWR 3(nm)

Lithographie plasma O

2- 15s

Lithographie

CD = 150.4 nmLWR = 10.2 nm

CD = 82 nmLWR = 9.3 nm

Plasma O2

CD-AFM

CD-SEM

Lithographie : LWR = 14.4nmAprès plasma O2 : LWR = 14.7 nm

LWR moyen sur la hauteur


-160 -120 -80 -40 0 40 80 1200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Hei

gh

t (n

m)

CD (nm)

Lithography SF

6- 20s h = 255nm

h = 245nm

CD=107.1nm

CD=88.6nm

Procédé : 100 sccm SF6 / 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

-60 -58 -56 -54 -52 -50 -48 -46 -44 -420

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Hei

gh

t (n

m)

CD (nm)

Lithography SF

6- 20s

Plasma de SF6 sans polarisation : contrôle du CD


Hau

teur

(nm

)

Hau

teur

(nm

)


Pas d’impact sur le LWR

8 10 12 14 16 18 20 22 240

20406080

100120

140160180200220240260


He

igh

t (n

m)

LWR 3sigma (nm)

Initial lithography after SF

6 plasma

Lithographie

CD = 117.3 nmLWR = 16.1 nm

CD = 101.3 nmLWR = 17 nm

SF6 plasma

CD-AFM

CD-SEM

Lithographie : LWR = 19.1nmAprès plasma SF6 : LWR = 19.1 nm


Plasma de SF6 sans polarisation : LWR

Hau

teur

(nm

)


-200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 1200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

Hei

gh

t (n

m)

CD (nm)

Lithography After CH

2F

2 plasma

h =255nm

h =275nm

CD=103.6nmCD=142.8nm

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 sccm CH2F2 /Source : 300 W / Polarisation: 0W / 10 mT / 20s

-84 -82 -80 -78 -76 -74 -72 -70 -68 -66 -640

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

Hei

ght (

nm)

CD (nm)

Initial lithography After CH

2F

2 plasma

Plasma de CH2F2 : contrôle du CD


Hau

teur

(nm

)

Hau

teur

(nm

)


10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

20406080

100120140160180200220240260280


Hei

gh

t (n

m)

LWR 3sigma (nm)

Lithography After CH

2F

2 plasma

La formation d’un dépôt tend à augmenter le LWR

Lithographie Après plasma CH2F2

CD = 155.9 nmLWR = 15.3 nm

CD = 118.2 nmLWR = 12.2 nm

CD-AFM

CD-SEM

Lithographie : LWR = 19.4nmAprès plasma CH2F2 : LWR = 21.4 nm

Plasma de CH2F2 : LWR


Hau

teu

r (n

m)


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.

Conclusion

Impact de la chimie du plasma sur LWR





Impact de la chimie de plasma (02 ,SF6,CH2F2)

Impact du bombardement ionique

4. Évolution de la rugosité de bord lors d’un procédé complet de gravure grille


Sommaire


-200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Hei

gh

t(n

m)

CD (nm)

Initial lithography After O

2plasma with bias power

h = 211nm

CD=112.6nm

CD=80.5nm

h =255nm

Procédé : 100 sccm O2 / Source : 300 W / Polarisation: 50 W / 10 mT / 7s

-64 -62 -60 -58 -56 -54 -52 -50 -48 -46 -44 -42 -40-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Heig

ht

(nm

)

CD (nm)

Initial Lithography After O

2 plasma with bias power

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 d’O2 avec polarisation : Contrôle du CD


Érosion des protubérances initialement présentes sur les flancs de la résine

Hau

teu

r (n

m)

Ha

ute

ur

(nm

)


4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

20406080

100120140160180200220240260


Hei

gh

t (n

m)

LWR 3sigma (nm)

Initial lithographyO

2 plasma with bias

L’ajout de bombardement ionique énergétique et directif conduit à une diminution du LWR

CD = 88.5 nmLWR = 11.8 nm

Lithographie plasma O2 avec polarisation

CD = 119.4nmLWR = 15.1 nm

CD-AFM

CD-SEM

Lithographie : LWR = 23.8nmAprès plasma O2 : LWR = 16.2 nm


Plasma d’O2 avec polarisation : LWR

Hau

teu

r (n

m)

Diminution LWR


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


Sommaire

1. Contexte technologique et objectifs



4. Evolution de la rugosité de bord lors d’un procédé complet de gravure grille



Objectif : Transfert de LWR lors des différentes étapes de gravure permettant d’élaborer une grille de transistor

Étude expérimentale

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

Protocole AFM 3D

Surface analysée par

AFM


Évolution CD

Protocole expérimental

Évolution LWR le long des flancs

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

Poly-Si

BARC

Resine

Hau

teu

t (n

m)

LWR 3 (nm)

FacetageDiminution

LWR

Le LWR moyen est diminué après chaque étape de gravure

Épaisseur de la couche de passivation

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

P-Si

BARC

résine haut

eur

(nm

)

CD (nm)

lithographie ouverture BARC en CF

4

gravure grille grille finale

CD1

CD2

CD3CD4

CD5


Gravure du BARC Objectif : Impact de la gravure BARC sur la rugosité de bord de la résine

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

BARC

résine

ha

ute

ur

(nm

)

LWR 3 (nm)

lithographie ouverture BARC en CF

4 CF4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

BARC

résine

ha

ute

ur

(nm

)LWR 3 (nm)

lithographie ouverture BARC en Cl

2/O

2Cl2/O2

La gravure BARC conduit à une diminution de LWR de la résineDiminution de LWR plus importante en chimie Cl2/O2

LWRlitho = 15,4nm

LWRbarc = 13,1nm- 2,3nm

Diminution LWR

LWRlitho = 17,5nm

LWRbarc = 11,5nm

- 6nm

Diminution LWR

Expérience : Comparaison de deux chimies de gravure BARC (CF4 et Cl2/O2)


lithographie BARC grille grille finale0123456789

1011121314151617181920

LWR

3 (

nm)

étapes technologiques

ouverture BARC en CF4

ouverture BARC en Cl2 /O2

Gravure du BARC : impact sur LWR de la grille finale Objectif : Impact sur la rugosité de bord de la grille finale

CF4

LWRlitho = 15,4nm

LWRgrille finale = 13,1nm

- 2,3nm

Cl2/O2

LWRlitho = 17,5nm

LWRgrille 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 résinesur résine

sur BARC

sur P-Si

LW

R 3

(n

m)

Ouverture BARC en Cl2/O2

Ouverture BARC en CF4

Expérience : Comparaison des deux chimies de gravure BARC avec une gravure grille en HBr/ Cl2/ O2


Introduction d’un masque dur SiO2

Lithographie Gravure BARC

Gravure grille

Retrait résine + bain HF

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Étapes technologiques

LW

R m

oy

en 3

(n

m)

Résine LWR LWR BARC LWR Poly-Si

Lithographie Gravure BARC

Gravure masque

dur

Gravure grille

HF6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Étapes technologiques

LW

R m

oy

en 3

(n

m)

LWR Résine LWR Barc LWR SiO2

LWR Poly-Si

Masque résine Masque dur SiO2

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 SiO2

Expérience : Gravure BARC et masque dur en CF4 gravure grille en HBr/ Cl2/ O2


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


Sommaire




4. Evolution de la rugosité de bord lors d’un procédé complet de gravure grille



Conclusion généraleAFM 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 résineL’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


Perspectives

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

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)


Merci à tous de votre attention


Principe de l’AFM 3D - mode CD

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

Cycle de mesure en mode CD

1 2

3

4

Motif23

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

directeur de thèse: olivier joubert (cnrs)

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