Etude fondamentale des interactions plasma-surface dans les procédés de gravure cryogénique avancés – PSICRYO

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° ou -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 la 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. La cryogravure de matériaux conventionnels (Si, Ge, GaN, InP) ou 2D émergents (graphène, MoS2), de composés oxyde/nitrure, et de matériaux poreux SiOCH (low-K) est envisagée. Des procédés de cryogravure sans dommage ou hautement sélectifs dans des dimensions agressives (inférieures à 20 nm) sont aussi étudiés. 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 peu sur les différences entre réactions de surface élémentaires à température ambiante et cryogénique. Dans ce contexte, le projet vise à étudier les mécanismes fondamentaux d’interaction plasma-surface à température cryogénique, et à développer des procédés de cryogravure innovants (cryo-ALE) sur divers matériaux pour des applications micro-électroniques avancées. Trois objectifs principaux sont ciblés. Le premier est de fournir un aperçu des réactions impliquées (physisorption, chimisorption) à l'échelle atomique. Le second vise à obtenir des informations quantitatives (nature, énergie, flux, temps de résidence) sur les espèces plasma (ions, radicaux, molécules stables) impactant le substrat, et à comparer leurs probabilités de réaction en surface (collage, pulvérisation, formation de sous-produits, etc.) à température ambiante et cryogénique. Le troisième est de corréler les conditions plasma et la température de surface avec la modification des matériaux exposés. En termes de stratégie, le projet se concentrera d'abord sur la cryogravure du Si dans les plasmas SF6/O2 (avec ou sans étape SiF4/O2), un cas d’école mais une étape essentielle pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux d’interaction à basse température. La cryo-ALE du SiO2 (avec des séquences d'adsorption de gaz C4F8 / plasma Ar) sera ensuite étudiée, afin de comprendre la nature des réactions (induites par les ions) entre molécules C4F8 physisorbées et SiO2 dans ce procédé innovant. Enfin, le concept de cryo-ALE sera étendu et testé sur de nouveaux matériaux (TiN, TiO2) d'intérêt pour la nanostructuration des oxydes de grille (high-K) et des contacts. Pour atteindre ces objectifs, nous développerons des simulations atomistiques (dynamique moléculaire), couplées à des diagnostics in situ avancés de la phase gazeuse (sondes, spectroscopie d'absorption UV-VUV, spectrométrie de masse, ellipsométrie) et des matériaux exposés (analyse XPS in situ). Le projet impliquera plusieurs partenaires de 3 laboratoires de recherche (LTM, GREMI, IMN) avec des compétences complémentaires en modélisation et diagnostics expérimentaux. Grâce à cette expertise, nous apporterons des connaissances nouvelles et fondamentales sur une technologie connue mais seulement partiellement explorée (la cryogravure du Si en chimies fluorées), puis nous aborderons la cryo-ALE émergente de nouveaux matériaux pour des applications innovantes en microélectronique 3D. Ainsi, le projet devrait avoir un impact à la fois sur les technologies de gravure et les sciences de l’information et de la communication en général.