Etude de la gravure des contacts en présence d’un double masque pour les nœuds technologiques avancés

par Mokrane Mebarki

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Jean Francois De Marneffe, Abdelkader Souifi.

Les rapporteurs étaient Rémi Dussart, Patrice Raynaud.


  • Résumé

    La réduction des dimensions des dispositifs et les limites atteintes par la lithographie pour les nœuds technologiques sub-20nm requièrent l’introduction d’un « double patterning » pour définir les contacts. Le masque final est défini par l’intersection d’un masque dur en TiN et d’un masque organique (OPL) et est utilisé pour transférer les motifs des contacts par gravure plasma dans une couche de diélectriques (SiO2/Si3N4). Par rapport aux nœuds technologiques précédents, cette architecture entraine de nouvelles problématiques dues à l’intégration du double patterning et du masque dur en TiN.Cette thèse porte sur la gravure des contacts définis par « double patterning » pour la technologie 14 nm FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) à STMicroelectronics. Plus particulièrement, l’objectif principal de ce travail de thèse a été d’évaluer l’effet des masques d’OPL et de TiN sur la gravure des contacts en termes de contrôle dimensionnel (CD) et de profil de gravure. Dans cet objectif, nous avons comparé deux procédés de gravure de l’OPL à base de N2/H2 ou de COS/O2 et leur impact sur le transfert des contacts. Un autre objectif de ce travail de thèse a été consacré à la compréhension et à la limitation du phénomène de croissance de résidus métalliques après le procédé de gravure des contacts. Ceci est obtenu notamment à travers le développement de traitements plasma post gravure. Pour déterminer les mécanismes d’interactions entre les plasmas du procédé de gravure des contacts et les matériaux des masques, des analyses de la surface des matériaux exposés aux plasmas ont été réalisées par des techniques telles que l’XPS et l’EDX et des analyses de la phase gazeuses du plasma ont été réalisées par spectroscopie d’émission optique (Optical Emission Spectroscopy – OES). Nous avons montré que les profiles des contacts étaient influencés par le procédé de l’étape d’ouverture de l’OPL et particulièrement à travers l’interaction des plasmas et du masque dur en TiN. Cette interaction peut conduire à une modification de la forme du masque dur en TiN et au redépôt de composés métalliques peu volatils sur la plaque et sur les parois du réacteur au cours du procédé de gravure. Ceci peut conduire à une déformation des profils et à un quasi-arrêt de la gravure pendant la gravure des matériaux diélectriques. Par ailleurs, nous avons montré que l’efficacité des traitements à base de méthane pour ralentir ou éviter la croissance de résidus à la surface du TiN après la gravure des diélectriques peut être améliorée par un contrôle de l’état des parois de la chambre au cours du traitement, en effectuant un nettoyage de la chambre en oxygène avant l’application du traitement.

  • Titre traduit

    Study of the contact etching with a double patterning strategy for advanced technological nodes


  • Résumé

    Due to the reduction of the transistor dimensions and the limitations of the lithography to define small contact patterns for the sub-20nm technological nodes, the introduction of double patterning strategies is required for contact patterning. In such architectures, the final mask is defined by the combination of a TiN hard mask and an organic (OPL) mask, which defines the contact patterns that will be transferred into the underlying dielectric layers (SiO2/Si3N4). This leads to new challenges for contacts definition, especially because of the integration of double patterning strategies and TiN hard masks which were not present for previous technologies.This study addresses the contact etching process using a double patterning strategy for the 14 nm Fully Depleted Silicon on Insulator (FDSOI) technology. More particularly, the main goal of this work was to evaluate the impact of both TiN and OPL masks on the contact patterning process in terms of dimensions and profiles control. For this, we have compared two different OPL etch processes (N2/H2 and COS/O2) and their impact in the contact pattern transfer in the dielectric layers. In addition, this work was also dedicated to the understanding and limitation of metallic residues growth occurring after the contact etch process. This is carried out especially through the development of post etch plasma treatments.We performed XPS and EDX analyses to determine the mechanisms involved in the interactions between plasma processing steps and the masking materials (TiN, OPL). The plasma gas phase was also analyzed by Optical Emission Spectroscopy (OES).We show that the contact etch profile is influenced by the OPL etching process due to the interactions between the plasma and the TiN hard mask. These interactions may lead to a modification of the hard mask profile and are at the origin of the metallic contamination observed over the patterned wafer or the reactor walls. Due to this contamination, the contact profiles are deformed and the dielectric etch process may be stopped. Finally, we have shown that the state-of-art CH4-based post-etch-treatments introduced to limit the residues growth after dielectric patterning with a TiN mask can be improved by adding an oxygen-based reactor cleaning process before the post-treatment process.


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