Simulation atomistique pour procédés de gravure plasma avancés : Application à la gravure ONO des produits mémoires Flash

Utilisée dans les étapes de fabrication des produits mémoires flash, la gravure ONO, diélectrique inter polysilicium, consiste à graver un empilement de couches ultrafines avec une précision nanométrique (ex: un oxyde de 36A avec arrêt sur nitrure, puis un nitrure de 42A avec arrêt sur oxyde, et enfin 40A d’une couche de 100A d’oxyde). Le travail de thèse consistera à modéliser et simuler la gravure de ces matériaux par un nouveau concept (couche atomique par couche atomique ou de type « smartetch ») afin de permettre, à terme, d’obtenir un meilleur contrôle de la gravure des diélectriques fins. Une mémoire flash a une structure similaire à celle d’un transistor MOS, auquel sont ajoutés un oxyde tunnel et une grille flottante en polysilicium au­dessus du canal. La grille flottante permet de piéger des charges injectées depuis le canal à travers l’oxyde tunnel en agissant en puits de potentiel. L’état de la mémoire est alors passant (1) ou non (0), selon si des charges sont piégées ou non, dans la grille flottante. L’oxyde situé entre les deux grilles (ou inter­poly) est quant à lui composé d’une couche oxyde/nitrure/oxyde (ONO). L’épaisseur de ce diélectrique influe notamment sur la vitesse d’écriture et d’effacement de la mémoire, ainsi que sur l’intensité du courant lu lors des lectures de la mémoire.

La gravure de l’ONO s’effectue généralement en 2 étapes: une gravure par plasma, gravure sèche où l’on vient graver l’oxyde supérieur, le nitrure et une partie de l’oxyde inférieur avec un masque de résine, suivie d’une gravure humide (Hf) qui vise à graver l’oxyde restant en laissant un état de surface du silicium intact ; on évite ainsi le bombardement ionique du silicium, ce qui permet une croissance ultérieure d’oxyde de bonne qualité électrique. La gravure par plasma de ces couches ultrafines oblige cependant à utiliser les équipements traditionnels en limite de leur capacité, i.e. à très faible tension bias, pour obtenir de très faibles vitesses de gravure avec un contrôle difficile.

Dans ce contexte, le développement d’une approche de gravure de type « couche atomique par couche atomique » ou « smart­etch » permettrait d’obtenir un meilleur contrôle de la gravure de ces diélectriques fins et donc un procédé plus robuste. Afin de répondre à de tels défis, le CNRS­LTM travaille sur une approche alternative en rupture avec les méthodes conventionnelles de gravure plasma, qui repose sur deux étapes autolimitées découplant l’action des ions et des radicaux. Cette méthode consiste, lors d’une première étape, à exposer et modifier le matériau à graver dans des plasmas ICP ou CCP d’hydrogène ou d’hélium. Dans une seconde étape, le matériau transformé est gravé de manière purement chimique, par voie humide (Hf) ou par exposition à des réactifs gazeux. La modification préalable du matériau en plasmas H2 ou He est une étape capitale puisque c’est elle qui permet, en changeant la structure/composition du matériau, de le graver (sans plasma) par la suite. L’intérêt de cette technique, qui a montré des résultats prometteurs pour la gravure des espaceurs SiN, est de pouvoir contrôler précisément les profondeurs modifiées et de créer une excellente sélectivité entre les couches transformées et non transformées du matériau. La maîtrise de ces procédés nécessitant une compréhension approfondie des processus réactionnels mis en jeux, le CNRS­LTM travaille en parallèle sur le développement de simulations atomistiques – de type Dynamique Moléculaire (MD) – capables de fournir un aperçu des mécanismes d’interaction plasma­surface à l’échelle atomique. Dans ce contexte, le travail de thèse consistera à développer des simulations MD pour étudier les systèmes Si­O­N­He et Si­O­N­H, et modéliser la modification des couches oxyde et nitrure en plasmas H2/He. Ces simulations viseront à déterminer la relation entre les flux/énergies des espèces (He+, Hx+, H) bombardant le substrat et les modifications structurelles/chimiques des couches exposées. Un des objectifs sera de comprendre le rôle­clé du flux, de la nature et de l’énergie des ions dans la transformation du matériau et dans l’implantation ionique auto­limitée (profondeurs modifiées, sélectivité vis­à­vis de la partie non­modifiée, phénomènes de saturation). Au-­delà de l’aspect fondamental, ces simulations devront aider à développer et optimiser le procédé/étape d’exposition plasma (fenêtres de tension bias, puissance source, temps de process) selon les objectifs de gravure visés.  Elles pourront être confrontées aux cas réels de matériaux modifiés/gravés via cette technologie chez ST ou au CNRS-LTM.

Profil recherché : Le candidat devra avoir de solides compétences en physique des plasmas ou physique des matériaux, ainsi qu’un goût prononcé pour le développement et la programmation informatiques (C++).

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