Dans le cadre d’une collaboration entre l’Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN) et STMicroelectronics Tours, cette étude vise à développer un simulateur de gravure du silicium par procédé Bosch. Actuellement utilisé dans le domaine de la microélectronique pour la gravure de vias, le procédé Bosch est un procédé pulsé de gravure par plasma. Un plasma de SF₆ permet la gravure du silicium par voie chimique, par adsorption de fluor atomique en surface du silicium pour créer des molécules volatiles. Un second plasma de C₄F₈ permet de protéger la surface exposée au plasma de gravure chimique, à l’aide d’un dépôt de polymère de fluorocarbonés. Ce polymère est supprimé dans la zone exposée au bombardement ionique. La répétition de pulses SF₆/C₄F₈ permet alors la création de motifs à fort facteur de forme (plus profonds quelarges).Afin de mieux connaître les mécanismes physico-chimiques qui régissent ce procédé, nous avons développé un simulateur de gravure basé sur une approche multi-échelle. Cet outil sert à reconstituer des profils de gravure en fonction des conditions opératoires renseignées (pression, puissance, débit, géométrie du réacteur). Le modèle cinétique calcule les densités et flux d’espèces neutres et ioniques crées dans le plasma. Le modèle de gaine détermine les fonctions de distributions énergétiques et angulaires des ions. Le modèle de surface détermine l’évolution spatio-temporelle des structures gravées par procédé Bosch. Pour calibrer le simulateur, des campagnes expérimentales ont été réalisées à l’IMN sur la phase plasma, ainsi que sur le site STMicroelectronics Tours, sur l’impact des conditions opératoires sur l’évolution des profils de gravure. / Due to a collaborationbetween IMN of Nantes and STMicroelectronics Tours, the aim of this study is the development of silicon etching simulator using Bosch process Nowadays used for microelectronics devices such as 3D capacitors or vias, Bosch process is a cyclic plasma etching process. Two plasmas are needed, a SF₆ plasma to etch silicon by chemical way, using mainly chemical processes. A C₄F₈ plasma which allows the deposition of fluorocarbon species into a “Teflon-Like” polymer, to passivate sidewalls of the trenches and protect them from chemical etching. This polymer is removed by ion bombardment. By the repetition of a large amount of SF₆/C₄F₈pulses, the process leads to the creation of features with a high aspect ratio (a high depth for a low aperture).To develop an intimate knowledge about physical and chemical interactions involved in Bosch process, we develop a simulation tool based on a multiscale approach. This software allows to track the etch profile evolution versus operating conditions (pressure, power, flow rate, reactor diameter and height). Kinetic model provides space-avergaed values of plasma paramters at steady state. Sheath model determines ion energy and angular distribution functions. Surface model manages these data to know temporal evolution of a representative feature into the substrate surface exposed to Bosch process. To validate the model, we carried out some experiments at IMN, dedicated to plasma phase measurements, and at STMicroelectronics Tours, dedicated to the study of the influence of theoperating conditions on the etch profile evolution.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer des outils de diagnostics non-invasifs et de caractériser in-situ les dérives de procédé dans un réacteur industriel utilisé en production pour la gravure profonde du silicium par le procédé Bosch. Ce dernier repose sur l’alternance d’un plasma de SF6 pour la gravure isotrope du Si et d’un plasma de C4F8 pour la passivation des parois dans l’optique d’obtenir des tranchées profondes et étroites. Dans un premier temps, nous avons installé une sonde courant-tension sur la ligne de transmission du signal rf au porte-substrat pour l’étude de son impédance caractéristique et un spectromètre optique pour l’étude de l’émission optique du plasma. Nos travaux ont montré que l’évolution temporelle de l’impédance constitue un excellent moyen pour identifier des changements dans la dynamique du procédé, notamment une gravure complète de la photorésine. De plus, à partir des spectres d’émission, nous avons pu montrer que des produits carbonés sont libérés du substrat et des parois lors de l’alternance passivation/gravure et que ceux-ci modifient considérablement la concentration de fluor atomique dans le plasma. Dans un second temps, nous avons développé un réacteur à « substrat-tournant » pour l’analyse in-situ des interactions plasma-parois dans le procédé Bosch. Nos travaux sur ce réacteur visaient à caractériser par spectrométrie de masse l’évolution temporelle des populations de neutres réactifs et d’ions positifs. Dans les conditions opératoires étudiées, le SF6 se dissocie à près de 45% alors que le degré de dissociation du C4F8 atteint 70%. Le SF6 est avant tout dissocié en F et SF3 et l’ion dominant est le SF3+ alors que le C4F8 est fragmenté en CF, CF3 et CF4 et nous mesurons plusieurs ions significatifs. Dans les deux cas, la chaîne de dissociation demeure loin d’être complète. Nous avons noté une désorption importante des parois de CF4 lors du passage du cycle de passivation au cycle de gravure. Un modèle d’interactions plasmas-parois est proposé pour expliquer cette observation. / The purpose of this master thesis is to develop non-invasive diagnostic tools for in-situ characterization of process drifts in an industrial reactor used in production for deep silicon etching by the Bosch process. This process alternates between a SF6 plasma for isotropic Si etching and a C4F8 plasma for sidewall passivation to achieve deep and narrow trenches. In this context, a current-voltage probe was installed on the rf transmission line to the substrate holder for impedance studies and an optical spectrometer for plasma optical emission spectroscopy. We have shown that the time evolution of the impedance represents an excellent tool for monitoring changes in the process dynamics, including the complete removal of the photoresist due to process drifts. In addition, based on emission spectroscopy, we have demonstrated that carbon products are released from the substrate and reactor walls during etching. A « spinning-wall » reactor was also developed for in-situ analysis of plasma-wall interactions. The main objective of our work on this reactor was to characterize the time evolution of the population of reactive neutrals and positive ions by plasma sampling mass spectrometry. Over the range of experimental conditions investigated, the percent dissociation of SF6 was 45%, while the one of C4F8 was 70%. SF6 was mostly dissociated in F and SF3, with SF3+ as the dominant ion. C4F8 is essentially fragmented in CF, CF3 and CF4 with many significant ions. In both cases, the dissociation chain remained incomplete. An important desorption of CF4 from the reactor walls was observed when going from passivation to etching cycles. A plasma-wall interaction model was proposed to explain such observation.