Vers une rupture technologique des procédés plasma pour la nanostructuration de la matière avec une précision sub-nanométrique

Pour les nœuds technologiques CMOS avancés sub-20nm, l’industrie du semi-conducteur fait face à un défi sans précédent, qui est de structurer la matière dans des gammes de dimensions nanométriques avec une précision sub-nanométrique, sans endommagement. L’approche dite « top down » qui combine une étape de lithographie suivie d’une étape de gravure par plasma est classiquement utilisée pour usiner la matière et ainsi réaliser les dispositifs CMOS. Le problème est que les technologies plasma actuelles ne permettent plus de répondre aux exigences de la miniaturisation. En effet, la synergie ion/radicaux, c’est-à-dire le bombardement simultané des surfaces à graver par des flux de radicaux et d’ions, qui régit les mécanismes de gravure plasma conventionnelle, conduisent à la formation de couches réactives rugueuses épaisses de quelques nanomètres sur la surface des matériaux à graver, qui compromettent le contrôle de la gravure à l’échelle sub-nanométrique. Le CNRS-LTM a récemment proposé un nouveau concept de gravure, totalement révolutionnaire, qui repose sur deux étapes autolimitées qui découplent l’action des radicaux et des ions. La première étape consiste en une modification du matériau par des ions créés par un plasma capacitif d’He ou d’H2. Cette étape est autolimitée dans le sens où l’épaisseur modifiée est pilotée par l’énergie des ions. La deuxième étape est une étape de retrait de la couche modifiée par des radicaux générés par un plasma haute pression downstream. Ces radicaux vont réagir avec la couche modifiée en formant des sels qui seront sublimés par chauffage du substrat. Cette étape est autolimitée car les sels ne se formeront qu’à partir de la couche préalablement modifiée par les ions.

Théoriquement, ce nouveau concept de gravure est capable de graver un matériau de manière ultra sélective par rapport à lui-même et les autres matériaux en présence, de graver la matière de manière anisotrope de par la directionnalité des ions, tout en préservant l’intégrité des surfaces (stœchiométrie et rugosité). Applied Materials, partenaire industriel du LTM-CNRS a développé récemment un prototype de réacteur disposant de deux modes de fonctionnement (plasma capacitif et plasma downstream) permettant de mettre en œuvre ce concept. Ce prototype est actuellement installé sur la plateforme de gravure du LTM.

L’objectif de la thèse est d’étudier les mécanismes impliqués dans les deux étapes du concept de gravure afin de bâtir une expertise sur ce nouveau procédé de gravure et de prouver qu’il permet de lever les limitations des procédés standards. La réussite du projet de thèse permettra de répondre aux besoins des futures générations des dispositifs CMOS mais aussi à toutes les applications qui nécessitent une nano-structuration de la matière sans endommagement. Cette recherche s’appuiera sur les compétences en procédé de gravure plasma du LTM-CNRS et les compétences de caractérisation de matériaux du SCMC-Leti.

Localisation: La thèse se déroulera au sein du Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM) du CNRS lié à l’Université de Grenoble Alpes, situé sur le site du CEA-LETI-MINATEC à Grenoble. Elle se fera en étroite collaboration avec le laboratoire de caractérisation des matériaux, le SCMC du CEA-Leti.

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