Simulation par dynamique moléculaire des interactions plasma-surface dans les procédés de cryogravure avancés

Molecular dynamics simulation of plasma-surface interactions in cryogenic advanced etching processes

• Auteur / Autrice : Jonathan Romero cedillo
• Direction : Gilles Cunge
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique

Mots clés

Mots clés libres

Cryogravure

Cryo-ALE

Dynamique moléculaire

Molecular dynamics

Cryo-ALE

Cryoetching

Résumé

Les plasmas basse pression sont largement utilisés pour nanostructurer les matériaux fonctionnels car ils offrent de nombreux avantages (anisotropie, sélectivité) par rapport aux procédés humides. Initialement utilisée pour la gravure profonde du silicium, la gravure cryogénique consiste à graver des matériaux à très basse température, le substrat étant refroidi à l'azote liquide autour de -100°/-150°C. Les procédés cryogéniques ont l'avantage de peu contaminer les réacteurs (les couches de passivation ne se forment que sur les surfaces froides), ce qui évite une dérive des procédés et les rend adaptés pour de nouvelles applications (intégration 3D IC/Si, MEMS) nécessitant des flancs lisses et une gravure sans dommage. Ainsi, l'intérêt scientifique et technologique pour la cryogravure ne cesse d'augmenter depuis quelques années avec diverses applications ciblées : cryogravure de matériaux conventionnels (Si, Ge, GaN, InP) ou 2D émergents (graphène, MoS2), cryogravure sans dommage de matériaux poreux SiOCH (low-K) ou hautement sélective dans des dimensions agressives (inférieures à 20 nm), etc. Cependant, de nombreuses questions demeurent quant aux mécanismes fondamentaux impliqués dans la cryogravure. La formation, la stœchiométrie ou la désorption thermique des couches de passivation ne sont pas entièrement comprises. Et on en sait encore peu sur les différences entre réactions de surface élémentaires à température ambiante et cryogénique. Ce travail de thèse s'inscrira dans le cadre du projet PSICRYO financé par l'Agence Nationale de la Recherche (CE24 : Micro et nanotechnologies pour le traitement de l'information et la communication). Le projet PSICRYO vise à comprendre les mécanismes fondamentaux d'interaction entre plasmas réactifs et matériaux à température cryogénique et à développer des procédés cryo-ALE innovants pour la nanostructuration avancée de divers matériaux. L'objectif est de développer des simulations atomistiques de l'interaction plasma-surface en chimies fluorées, ainsi que des diagnostics in situ de la phase gazeuse (spectrométrie de masse, ellipsométrie, spectroscopie d'absorption UV-VUV) et des matériaux exposés (analyses XPS in situ), afin de fournir un aperçu microscopique des réactions impliquées à l'échelle atomique et d'étudier l'impact de divers paramètres plasma (nature, flux et énergie des espèces) sur la modification chimique et structurelle des matériaux à ces températures extrêmes.

Low-pressure plasmas are widely used to transfer high resolution patterns into functional materials because they offer many advantages (anisotropy, selectivity) compared to wet processes. First introduced to achieve silicon deep etching, cryogenic etching consists in etching materials at very low temperatures, the substrate being cooled down with liquid nitrogen to typically -100°/-150°C. Cryogenic processes have the advantage to be polymer-free and clean (passivation layers only form on cooled surfaces), which avoids process drift and makes them suitable for new applications (3D IC/Si integration, More than Moore MEMS demonstrators) where smooth sidewalls or reduced plasma-induced damage are required. Thus, scientific and technological interest in cryoetching has recently increased, with various applications targeted: (atomic layer) etching of conventional materials like Si, Ge, GaN, InP and emerging 2D materials (graphene, MoS2), low-damage etching of porous SiOCH low-K dielectrics or high-selective plasma processes for sub-20 nm features etching. However, many questions remain about the fundamental mechanisms involved in cryoetching. Mechanisms behind the formation, the stoichiometry or the thermal desorption of passivation layers are not fully understood. And little is known about the differences between elementary surface processes at room and cryogenic temperature. This PhD work will take place in the frame of the PSICRYO project granted by the Agence Nationale de la Recherche (CE24 : Micro et nanotechnologies pour le traitement de l'information et la communication). The PSICRYO project aims at investigating the fundamental mechanisms of plasma-surface interactions (PSI) at cryogenic temperature and to develop innovative cryo-ALE processes of various materials for advanced patterning applications. The objectives are to develop robust atomistic simulations of plasma-surface interaction in fluorine-based chemistries, coupled with in-situ diagnostics of both the plasma gas-phase (mass spectrometry, ellipsometry, UV-VUV absorption spectroscopy) and the exposed materials (in-situ XPS analysis), to provide a microscopic overview of the reactions involved at the atomic scale and understand the impact of various plasma parameters (nature, flux and energy of species) on the chemical and structural modification of exposed materials at these extreme temperatures.