Développement de procédés de gravure isotrope de Silicium sélectivement au silicium Germanium pour des applications CMOS sub 10nm

Development of isotropic etching processes of silicon to silicon-germanium for sub 10nm CMOS applications.

• Auteur / Autrice : Sana Rachidi
• Direction : Nicolas Possémé, Alain Campo, Virginie Loup
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 15/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Goullet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Bouchoule, Laïfa Boufendi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors en couches minces

Nanosilicium

MOS complémentaires

Gravure par plasma

Mots clés libres

Gravure (sèche / humide)

Cmos gaa

Silicium

Silicium germanium

Etching (Dry/Wet)

Cmos gaa

Silicon

Silicon germanium

Résumé

Les réductions des dimensions des dispositifs CMOS imposent d’introduire de nouvelles architectures et de nouveaux matériaux dans l’empilement des transistors. Ainsi, on envisage de remplacer le transistor classique par les dispositifs GAA (« Gate All Around ») avec des SNWs (« stacked nanowires ») en Si0.7Ge0.3 sub 10 nm. L’intégration de ces nouveaux matériaux entraine de nouvelles problématiques qui nécessitent le développement de nouveaux procédés de gravure.L’objectif de ce travail de thèse est de développer et d’optimiser les procédés de gravure isotropes par voie sèche (plasma) et par voie humide capables de graver sélectivement le silicium par rapport au SiGe dans le but de réaliser des nanocanaux en Si0.7Ge0.3 suspendus à partir de l’empilement suivant (Si 8 nm/ Si0.7Ge0.3 8 nm) ×2 avec un CD 20 nm.L’étude réalisée sur la gravure plasma à base de CF4/N2/O2 a montré la formation d’une couche réactive épaisse de 8 nm SiOxFy sur le silicium et d’une fine couche de 2 nm de passivation SiOxFy + GeOxFy sur le SiGe après gravure. A base de ces résultats, nous avons pu par la suite optimiser la sélectivité du procédé de gravure en appliquant un traitement oxydant plasma avant l’exposition à la chimie de gravure. Nous avons montré ainsi qu’il est possible de libérer des nanofils de SiGe (ayant une épaisseur de 8 nm et un CD de 20) avec une sélectivité de l’ordre de 20.Concernant l’étude portée sur la gravure humide de Si vs SiGe, nous avons montré que la gravure par chimie alcaline est anisotrope par rapport aux plans <111> du silicium sacrificiel. Ainsi, seuls les motifs ayant un CD inférieur à 6 nm peuvent être réalisés. La libération des nanofils SiGe de CD plus grand nécessite des couches sacrificielles de Si ayant une épaisseur supérieure à environ √2 CD. Nous avons enfin montré que l’ajout du peroxyde dans la chimie alcaline NH4OH permet de réduire son anisotropie par rapport aux plans <111> du Si et qu’il est possible, à partir de l’empilement étudié, de libérer les nanofils de SiGe ayant un CD de 10 nm.

Maintaining high electronic properties while downscaling CMOS devices requires the integration of novel architectures and novel materials. Gate all around (GAA) architectures with Si0.7Ge0.3 as stacked nanochannel have emerged as a solution. This technology requires the development of new etching processes.In this work, we have so investigated the dry and wet isotropic etching of silicon selectively to SiGe applied on the following pattern (Si 8 nm/ Si0.7Ge0.3 8 nm) ×2 with a CD of 20 nm.The dry isotropic etching of Si vs SiGe using downstream CF4/N2/O2 plasma chemistry have shown that, during the etching process, a highly reactive 8 nm SiOxFy layer is formed on silicon while a 2 nm thick passivation layer is observed on SiGe. Based on these results, Si vs SiGe etching process selectivity was improved by applying a dry oxidant treatment prior to the etching chemistry and SiGe nanowires were so demonstrated to be released with a selectivity of 20.Concerning the wet etching of Si selectively to SiGe, we have evidenced that the alkaline etchants are anisotropic. The etch rate for the <111> crystal planes of the Si crystal is smaller than the etch rate of any other crystal plane. Thus, only devices with a CD inferior to 6 nm are possible to release using an alkaline chemistry. Aiming for larger CDs requires sacrificial layers thicknesses greater than √2 CD. Finally, we have shown that the addition of peroxide to the alkaline chemistry NH4OH reduces its anisotropy with respect to the <111> plane of Si. Based on this, it is possible to release SiGe nanowires with a CD of 10 nm from the studied pattern.