Développement de procédés plasma en gaz pulsés pour la gravure des contacts et application aux composants logiques avancés

Development of pulsed gas plasma processes for contact etching and application to advanced logic components

• Auteur / Autrice : Antoine Ronco
• Direction : Nicolas Possémé, François Boulard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 01/07/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ana Lacoste
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Mannequin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Tillocher, Gilles Cartry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silice

Chlorofluorocarbures

Informatique quantique

Gravure par plasma

Mots clés libres

Gravure

Quantique

Contacts

Etching

Contacts

Quantum

Résumé

Le développement d’un ordinateur quantique représente une rupture technologique, qui promet de révolutionner des domaines comme la cryptographie, ou la simulation moléculaire, en permettant de résoudre des problèmes complexes bien plus rapidement qu’un ordinateur classique. Malgré tout, ces ordinateurs quantiques restent pour le moment des objets de recherches, puisque leur fabrication est très complexe. Un des défis critiques réside dans la fabrication de qubits fiables, nécessitant une production massive. Une des voies possibles pour réaliser ces qubits est l’utilisation des techniques issues de la microélectronique. Malgré tout, cette fabrication exige des procédés de nanofabrication innovants, notamment des technologies de gravure à résolution atomique. Dans ce contexte, nos travaux visent à développer des procédés de gravure avancés, en se concentrant sur la gravure de SiO2 avec atterrissage sur SiN. Nous cherchons principalement à maximiser la sélectivité SiO2 : SiN, et limiter la consommation et l’endommagement du SiN en fond de contact.Nous montrons dans un premier temps les limites des procédés de gravures continues actuels. La sélectivité SiO2 : SiN que nous obtenons avec ce type de procédé est divisé d’un facteur 2 lors du passage de la gravure de plaques sans motifs, à la gravure de contact. Afin d’améliorer cela, nous examinons des procédés de gravures cyclées.Nous investiguons dans un premier temps l’utilisation de différents gaz fluorocarbonés et déterminons que l’utilisation de C4F6 est la plus adéquate pour notre application. Nous analysons alors séparément les étapes de dépôt et d’activation de notre procédé de gravure cyclée, et caractérisons les cinétiques de dépôt de film FC et de gravure de SiO2 et SiN. Nous poursuivons ensuite en étudiant un grand nombre de cycles courts, afin d’évaluer plus fidèlement l’efficacité du procédé en conditions réelles.Nous examinons alors l’influence des durées des étapes de dépôt et d’activation sur la gravure du SiO2 et du SiN. Il apparaît que, selon les durées choisies, le procédé peut dériver. Nous identifions un marqueur de cette dérive par spectroscopie d’émission optique, technique de caractérisation largement répandue sur des équipements industriels. Nous étudions également la variation des puissances RF employées durant les étapes d’activations, et observons alors que les bénéfices potentiels sont contrebalancés par une réduction drastique de la cadence de production. Ce qui suggère que cela n’est pas viable dans une perspective d’intégration industrielle.Pour finir, nous analysons les performances de nos procédés cyclés lors de gravures de motifs. Nous montrons alors une consommation de moins de 5 nm de SiN avant l’arrêt de gravure lors de l’atterrissage. Nous rapportons également une voie d’amélioration pour ces procédés cyclés, permettant de diviser par 2 le temps de cycles, et discutons de l’impact de la topologie et de l’environnement sur nos gravures en comparant des conditions avec et sans retrait du masque tricouche avant la gravure cyclée.

The development of a quantum computer represents a technological breakthrough, promising to revolutionize fields such as cryptography and molecular simulation, by enabling complex problems to be solved much more quickly than with a conventional computer. However, quantum computers are still in the research stage, as their manufacture is highly complex. One of the critical challenges lies in the manufacture of reliable qubits, requiring mass production. One possible way of producing these qubits is to use techniques derived from microelectronics. Nevertheless, this requires innovative nanofabrication processes, in particular atomic-resolution etching. In this context, our work aims to develop advanced etching processes, focusing on SiO2 etching with landing on SiN. Our main objective is to maximize SiO2: SiN selectivity, and limit SiN consumption. We first demonstrate the limitations of current continuous etching processes. The SiO2 : SiN selectivity we achieve with this type of process is divided by a factor of 2 when switching from blanket wafer etching to contact etching. To improve this, we study cyclic etching processes.We first investigate the use of different fluorocarbon gases and determine that C4F6 is the most suitable for our application. We then study the deposition and activation steps of our cyclic process separately and characterize the kinetics of FC film deposition and SiO2 and SiN etching. We then go on to study a larger number of short cycles, to more accurately assess the performance of the process in ''real-life'' conditions.We study the influence of the duration of the deposition and activation stages on the etching of SiO2 and SiN. Depending on the durations chosen, the process can drift. We identify a marker of this drift using optical emission spectroscopy, a characterization technique widely available on industrial equipment. We also study the variation in RF power applied during the activation steps and observe that the potential benefits are counterbalanced by a drastic reduction in production rate. This suggests that it is not viable in the perspective of industrial integration.Finally, we study the performance of our cyclic processes during pattern etching. We show that less than 5 nm of SiN is consumed before etch stop during landing. We also show an improvement path for these cyclic processes, enabling cycle times to be divided by 2, and discuss the impact of topology and environment on our processes by comparing conditions with and without removal of the trilayer mask before cyclic etching.