Procédés de gravure par plasma

Plateforme Optimist

Chercheurs, enseignants-chercheurs : Christophe Cardinaud, Rim Ettouri [2023, ->], Aurélie Girard, Cédric Mannequin [2022, ->], Ahmed Rhallabi,

Chercheurs contractuels : Felipe Cemin [2022-2024], Guillaume Le Dain [2018-2020], Hiba Beji [2025, ->]

Ingénieur contractuel : Thomas le Pape [2023-2025]

Doctorants : Tatiana Mbouja Signé [2022-2025], Jack Nos [2021-2024]

Ingénieur : Thomas le Pape [2023-2025]

La gravure par plasma permet la réalisation de motifs aux dimensions micrométriques ou nanométriques dans un matériau. Elle est une des étapes essentielles dans les procédés de fabrication des circuits intégrés. Depuis sa naissance dans les années 1980, son développement constant a été l’un des moteurs du formidable essor des technologies de la microélectronique, des télécommunications et des microsystèmes. Les performances du dispositif final (microprocesseur, mémoire, capteur…) sont étroitement liées à la nature des matériaux utilisés, à la dimension des structures gravées et à la qualité des états de surface obtenus.

Nos études portent sur les aspects fondamentaux des mécanismes réactionnels. Quelles sont les espèces formées dans le plasma ? Comment interagissent-elles avec la surface des matériaux ? Quels sont les produits d’interactions ? sont les principales questions qui orientent nos études. Celles-ci couplant des approches expérimentales et de modélisation, ont deux finalités : la compréhension des mécanismes physicochimiques de la gravure et la maîtrise du contrôle dimensionnel, de la chimie de surface et des propriétés physiques des motifs gravés.

Mots-clés : gravure plasma, interaction plasma-surface

Expertises : gravure en plasma froids RF basse pression, diagnostic des plasmas, caractérisation in situ des surfaces

Domaines d’application : microélectronique

Projets de recherche récents ou en cours : PSICRYO, SPOT, OPERA, LoPALEOS, LoPALETiN

Collaborations : CEA/Leti-Grenoble, DGA, GREMI-Orléans, LTM-Grenoble, C2N-Palaiseau, IJL-Nancy

Présentation des équipements de gravure : Réacteur « Alcatel », Plateforme « Optimist », Réacteur « Nextral »

1 - Gravure à température cryogénique 

Personnels IMN : Christophe Cardinaud, Aurélie Girard, Cédric Mannequin [2022, ->], Ahmed Rhallabi, Rim Ettouri

Chercheur Contractuel : Felipe Cemin [2022-2023]

Doctorant : Jack Nos [2021-2024]

En plus du champ usuel d’application en gravure profonde du silicium, les procédés cryogéniques apparaissent prometteurs aujourd’hui pour la gravure de matériaux divers (semi-conducteurs, leurs oxydes et nitrures, matériaux de faible permittivité…) à des dimensions de motifs nanométriques et avec le besoin de contrôler la profondeur gravée à la couche atomique près (ALE - atomic layer etching).

L’un des intérêts de la cryo-ALE réside dans le fait que les espèces qui participent à la gravure sont, dans le premier temps, physisorbées sur la surface du substrat froid et réagissent ensuite chimiquement avec celle-ci lors d’un plasma d’argon initié dans le second temps. Ces étapes sont ensuite répétées jusqu’à atteindre la profondeur de gravure souhaitée.

Atteindre ces objectifs applicatifs requiert de progresser dans la compréhension des mécanismes physiques et chimiques impliqués dans le procédé.
Pour ce faire, cette étude est menée pour des composés silicium (Si3N4 et SiO2) pour différents gaz fluorés sur la plateforme Optimist connectée par un transfert sous ultra vide à un ensemble XPS possible entre -180 °C et +100 °C.

Mots-clés : Gravure plasma cyclique, cryo-ALE, physisorption, sélectivité,

Expertises : Plasmas fluorés SF6, CF4, C4F8, Caractérisation de surface in situ : XPS.

Collaborations : GREMI Orléans, TEL Tokyo et Albany, LTM Grenoble

Projets de recherche récents : Emergence@Chimie OPERA, ANR PSICryo

Publications majeures :

On the low temperature limits for cryogenic etching: A quasi in situ XPS study. 
Felipe Cemin, Aurelie Girard and Christophe Cardinaud.
Appl. Surf. Sci. 2023, 637, 157941

Cryogenic nanoscale etching of silicon nitride selectively to silicon by alternating SiF4/O-2 and Ar plasmas. 
G. Antoun, T. Tillocher, A. Girard, P. Lefaucheux, J. Faguet, H. Kim, D. Zhang, M. Wang, K. Maekawa, C. Cardinaud and R. Dussart.
Journal of Vacuum Science & Technology A 2022, 40

Quasi In Situ XPS on a SiOxFy Layer Deposited on Silicon by a Cryogenic Process. 
G. Antoun, A. Girard, T. Tillocher, P. Lefaucheux, J. Faguet, K. Maekawa, C. Cardinaud and R. Dussart.
ECS J. Solid State Sci. Technol. 2022, 11, 013013

2 - Modélisation et caractérisation de la gravure des aciers par plasma chloré

Personnels IMN : Ahmed Rhallabi, Christophe Cardinaud, Aurélie Girard

Chercheur Contractuel : Guillaume Le Dain [2018-2020]

Le projet ANR SPOT (Structuration submicronique de l’acier par gravure Plasma pour applications Optiques et optimisation Tribologique) a eu pour objectif le développement d’un procédé de gravure par plasma réactif pour structurer la surface de pièces en acier. Ces gravures donnent aux pièces métalliques structurées des propriétés tribologiques renforcées et durables, utilisables en milieu sévère. En remplacement des matériaux plus nobles, non recyclables elles assureront alors un gain économique et écologique. Dans ce contexte, nous avons développé un simulateur de gravure d’acier par plasma ICP Cl2/Ar. L’approche multi-échelle a pour avantage de prédire l’évolution spatio-temporelle des structures gravées à travers des masques en fonction des paramètres machine. La composition chimique de différents types d’aciers est prise en compte dans l’approche cellulaire basée sur la méthode Monte-Carlo qui étudie la cinétique de gravure sous les flux d’espèces neutres réactives et d’ions énergétiques. Les effets de paramètres, comme la composition chimique des aciers et la probabilité d’adsorption de Cl, sur certaines propriétés de gravure comme la rugosité, la sur-gravure latérale, la vitesse de gravure ont été mis en évidence. Les analyses des surfaces d’acier gravées par XPS permettent de mieux cerner les mécanismes d’interactions entre les espèces actives issues du plasma et la surface d’acier et par conséquent contribuent à élaborer un modèle de surface basé sur la technique probabiliste Monte-Carlo conforme aux observations expérimentales.

Mots-clés : Plasma, gravure, acier, modélisation, chlore

Collaborations : IGL, C2N, SILSEF

Projet de recherche récent : SPOT

Publications majeures : 

Etching of iron and iron-chromium alloys using ICP-RIE chlorine plasma. 
Guillaume Le Dain, Feriel Laourine, Stephane Guilet, Thierry Czerwiec, Grégory Marcos, Cédric Noel, Gérard Henrion, Christophe Cardinaud, Aurelie Girard and Ahmed Rhallabi.
Plasma Sources Science and Technology 2021, 30, 095022

3 - Gravure de l’oxyde de vanadium V2O3 en plasma fluoré 

Personnels IMN : Aurélie Girard, Cédric Mannequin, Christophe Cardinaud

Doctorante : Tatiana Chancelle Mbouja Signé [2022-2025]

Les oxydes de vanadium présentent un grand intérêt pour des applications électrochromes, en catalyse et en microélectronique. Parmi eux le composé V2O3 est un isolant de Mott, d’un intérêt majeur pour les applications mémoire ReRAM et réseaux neuromorphiques. Or aucune étude sur la gravure de V2O3 n’a été publiée à ce jour. Ce projet porte sur l’élucidation des mécanismes de gravure par l’étude de procédés de gravure ionique réactive par plasmas fluorés dans un réacteur à couplage inductif.

Nos premières investigations démontrent que les films minces de V2O3 peuvent être spontanément gravées par l’exposition à des plasmas fluorés sans apport de bombardement ionique. De façon plus étonnante, l’addition d’un bombardement ionique au plasma fluoré fait un apparaitre un comportement RIE non conventionnel se manifestant par une diminution ou même, pour certaines conditions, un arrêt de la gravure pour une gamme d’énergie d’ions définie. Ce phénomène non reporté dans la littérature pour d’autre matériaux, est reproductible et contrôlable et est au cœur de notre étude.

Projet de recherche récent : Projet Mott-IA

4 - LoPALEOS: Local approach for Plasma Atomic Layer Etching of Oxide Semiconductors

Personnels IMN : Cédric Mannequin, Christophe Cardinaud, Aurélie Girard

IE contractuel : Thomas Le Pape [2023-2025]

Post-doctorante : Hiba Beji [2025-2026]

Le projet porte sur l’étude et le développement de procédés ALE pour des oxydes semi-conducteurs à large bande interdite, comme le β-Ga2O3, qui attirent l’attention pour leurs applications dans le domaine de l’électronique de puissance et de l’optoélectronique.

Une approche locale, s’appuyant sur des diagnostics in situ du plasma et des surfaces, est développée afin de :

• étudier les différents mécanismes impliqués aux différentes étapes à tout « nième  » cycle du procédé ALE.
• obtenir des informations quantitatives sur le plasma, les probabilités de réaction entre les espèces présentes et la surface et de la surface exposée.
• comprendre l’impact des paramètres du plasma pouvant être contrôlés sur les étapes de modification et d’activation.

Ce projet couvre un volet d’instrumentation des réacteurs de gravure permettant une automatisation des différents éléments du réacteur nécessaire pour le développement de procédés cycliques et la méthodologie par approche locale au cœur de l’étude.

Le projet est soutenu financièrement par : I-Site NExT de Nantes Université, l’ANR et la Région des Pays de la Loire dans le cadre du Programme d’Investissements d’Avenir.

Projet de recherche récent : Projet I-Site NExT LoPALEOS, Projet LoPALETiN

5 - Gravure de verres chalcogénures

Personnels IMN : Christophe Cardinaud, Aurélie Girard

Doctorants ayant soutenu : Thibaut Meyer (2019)

Les matériaux chalcogénures ont des propriétés remarquables, qui ouvrent la voie à des applications en optique intégrée ou pour les mémoires non volatiles de type PCRAM.

Nos travaux portent sur les composés GeSbSe amorphes ; ils concernent la caractérisation des matériaux massifs et en couches minces réalisées à partir de ceux-ci ainsi que l’étude des procédés de gravure en plasma fluoré ou en mélange CH4-H2-Ar. L’objectif est d’approfondir les connaissances sur les mécanismes, d’évaluer les dommages engendrés et la viabilité des procédés.

Mots clés : GeSbSe, Gravure plasma Plasmas fluorés, Plasmas CH4-H2

Expertises : Plasmas fluorés et à base de CH4-H2, Caractérisation de surface in situ : XPS, ellipsométrie, Diagnostic des plasmas : spectrométrie d’émission optique, spectrométrie de masse, sondes électrostatiques.

Collaborations :  IMN-PMN, ISCR-Rennes, KPF-Pardubice

Publications majeures : 

Meyer,  A. Girard,  G. Le Dain,  A. Rhallabi,  E. Baudet,  M. Baillieul,  V. Nazabal,  P. Němec and C. Cardinaud, Plasma Sources Sci. & Technol. 32 (2023) 085003.
https://doi.org/10.1088/1361-6595/aceaa5
https://hal.science/hal-04186877v1

Meyer,  A. Girard,  G. Le Dain,  A. Rhallabi,  E. Baudet,  V. Nazabal,  P. Němec and C. Cardinaud, Appl. Surf. Sci. 549, 149192 2021.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149192

Meyer,  G. LeDain,  A. Girard,  A. Rhallabi,  M. Bouška,  P. Němec,  V. Nazabal and C. Cardinaud, Plasma Sources Sci. Technol. 29(10), 105006 2020.
https://doi.org/10.1088/1361-6595/abb0d0