Atomistic simulations of H2 and He plasmas modification of thin-films materials for advanced etch processes
Description
This PhD thesis focuses on technological challenges related to the development of advanced transistors (FinFET, FDSOI), where the etching of thin films reveals several issues. In particular, the etching of silicon nitride spacers should be achieved with a nanoscale precision without damaging the underlayers, a step which cannot be addressed by conventional CW plasmas. To overpass this limitation, an innovative approach was recently developed (so-called Smart Etch), which is based on light ion implantation and composed of two steps. First, the material to be etched is modified by exposure to a hydrogen (H2) or helium (He) ICP or CCP plasma; in a second step, the modified layer is selectively removed using wet etching or gaseous reactants only. To support the fundamental understanding of the first step and assist the development of this new technology, molecular dynamics (MD) simulations were performed to study the interaction between silicon/silicon nitride films and hydrogen/helium plasmas. MD was used to investigate how the substrates modification is affected by the ion energy, the ion dose, the ion composition or the radical-to-ion flux ratio (in the case of a H2 plasma). In agreement with experiments, simulations of He+ or Hx+ (x=1-3) ion bombardment of Si/SiN show that a self-limited ion implantation takes place with a surface evolution composed of two stages: a rapid volume modification (with no etching) followed by a slow saturation and the formation of a stable He- or H- implanted layer at steady state. The mechanisms of ion-induced damage (Si-Si or Si-N bond breaking, He or H2 trapping/desorption, SiHx (x=1-3) complex creation) are investigated and allow to bring new insights to both the Smart Cut and Smart Etch technologies. Si/SiN exposure to various H2 plasma conditions (with both Hx+ ions and H radicals) was then studied. In this case, a self-limited transformation is observed but the H-modified layers are simultaneously etched during the ion implantation, at a rate ∼10 times smaller for SiN compared to Si. Simulations show that to modify Si/SiN thin films with a nanoscale precision by H2 or He plasmas, both the ion energy and the ion flux have to be controlled very cautiously. In particular, low ion doses, where the substrate evolution is in rapid modification stage, must be avoided since the substrate evolution cannot be precisely controlled. In H2 plasmas, high ion energies induce thicker modified layers but smaller and less homogeneous hydrogenation rates. The ion composition and the radical-to-ion flux ratio G must be considered as well, since the etch rate increases with G, compromising even the possibility to achieve a Smart Etch of silicon. The MD simulations performed in this thesis enable to clarify various unexplained phenomena seen in the Smart-Etch experimentally, and reveal some possible issues in this new process. In the end, a range for plasma parameters is proposed to optimize this first step of the Smart Etch process and to control the modification of SiN with a sub-nanoscale precision. (author)
Abstract (French)
Ce travail de these aborde l'un des defis technologiques lies au developpement de nouvelles generations de transistors (FinFET, FDSOI), pour lesquels la gravure de couches ultraminces revele plusieurs problemes. En particulier, la gravure des espaceurs nitrure (SiN) doit etre realisee avec une precision nanometrique sans endommager les couches sous-jacentes, etape qui ne peut plus etre realisee par des plasmas conventionnels continus. Afin de depasser cette limitation, une approche innovante a ete recemment developpee (dite Smart-Etch), qui s'appuie sur l'implantation d'ions legers et se deroule en deux etapes. Premierement, le materiau a graver est expose a un plasma ICP ou CCP d'hydrogene (H2) ou d'helium (He); dans une deuxieme etape, la couche modifiee est retiree selectivement par gravure humide ou exposition a des reactifs gazeux. Afin d'apprehender les mecanismes fondamentaux de la premiere etape et assister le developpement de cette nouvelle technologie, des simulations de dynamique moleculaire (MD) ont ete realisees pour etudier l'interaction des plasmas H2/He avec des couches de Si/SiN. La MD a ete utilisee pour examiner comment la modification de ces substrats est affectee par l'energie ionique, la dose ionique, la composition ionique ou le rapport flux de radicaux/ flux d'ions (dans le cas d'un plasma H2). En accord avec les experiences, les simulations de bombardement ionique He+ ou Hx+ (x = 1-3) sur Si/SiN montrent que l'implantation ionique est auto-limitee, et que l'evolution de la surface se deroule en deux etapes: une rapide modification en volume (sans gravure) suivie d'une saturation lente et de la formation d'une couche implantee stable en regime permanent (etat stationnaire). Les mecanismes d'endommagement induit par les ions (rupture des liaisons Si-Si ou Si-N, piegeage/desorption d'He ou H2, formation de groupes SiHx (x = 1-3) en profondeur), sont etudies et permettent d'apporter de nouveaux elements de comprehension aux technologies Smart-Cut et Smart-Etch. L'exposition de substrats Si/SiN a un plasma H2 (impacts d'ions Hx+ et de radicaux H) a egalement ete etudiee pour differentes conditions plasma. Dans ce cas, une transformation auto-limitee est observee mais les couches modifiees/hydrogenees sont simultanement gravees pendant l'implantation ionique, a un taux 10 fois inferieur pour SiN par rapport a Si. Les simulations montrent que modifier des substrats Si/SiN avec une precision nanometrique necessite un contrôle prudent de l'energie et du flux des ions incidents. En particulier, les faibles doses ioniques doivent etre evitees car l'evolution de la surface ne peut pas etre contrôlee precisement en regime transitoire (modification rapide). Dans les plasmas H2, les energies ioniques elevees induisent des couches modifiees plus epaisses mais des taux d'hydrogenation plus faibles et moins homogenes. La composition ionique et le rapport flux de radicaux/ flux ions (G) doivent egalement etre controlles avec precaution, notamment car la vitesse de gravure du materiau augmente avec G, ce qui empeche entre-autre la possibilite du Smart-Etch pour le silicium. Les simulations MD realisees dans cette these permettent de clarifier divers phenomenes inexpliques observes dans le Smart-Etch experimentalement, et de reveler quelques problemes possibles dans ce nouveau procede. Finalement, une gamme de parametres plasma est proposee pour optimiser cette premiere etape de Smart-Etch et contrôler la modification de SiN avec une precision sous-nanometrique. (auteur)
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Modification de materiaux en couches minces par plasmas H2 ou He: Simulations atomistiques pour procedes de gravure innovants
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 167 p.
- Report number
- FRNC-TH--13073
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 53074911
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE; S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- COLD PLASMA; COMPUTERIZED SIMULATION; DESORPTION; DOSE-RESPONSE RELATIONSHIPS; ENERGY DEPENDENCE; ETCHING; HELIUM IONS; HYDROGEN; HYDROGEN IONS; INTERATOMIC DISTANCES; ION IMPLANTATION; MOLECULAR DYNAMICS METHOD; SILICON; SILICON NITRIDES; STOCHASTIC PROCESSES; THIN FILMS; TRAPPING
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; CHARGED PARTICLES; DISTANCE; ELEMENTS; FILMS; IONS; NITRIDES; NITROGEN COMPOUNDS; NONMETALS; PLASMA; PNICTIDES; SEMIMETALS; SILICON COMPOUNDS; SIMULATION; SORPTION; SURFACE FINISHING
Optional Information
- Notes
- 132 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses