CCP vs ICP : plasmas à couplage capacitif et inductif comparés

Tous deux créent un plasma en ionisant un gaz par une puissance RF, mais le mécanisme qui transmet la puissance au plasma diffère. Le CCP applique une tension RF entre deux électrodes en vis-à-vis et accélère les électrons par le champ électrique. L'ICP fait circuler un courant RF dans une bobine et accélère les électrons par le champ électrique induit que crée la variation du champ magnétique, ce qui permet d'obtenir un plasma dense à basse pression. L'ICP dispose d'une alimentation de polarisation distincte côté wafer et permet de régler séparément la densité du plasma et l'énergie des ions.

CritèreCCP (plasma à couplage capacitif)ICP (plasma à couplage inductif)
Génération du plasmaUne tension RF est appliquée à des électrodes planes parallèles, et le champ électrique entre les électrodes accélère les électronsUn courant RF circule dans une bobine, et le champ électrique induit accélère les électrons
Structure de l'équipementDeux électrodes en vis-à-vis, en haut et en bas. Le wafer est posé sur l'une d'ellesUne bobine est placée à l'extérieur (au-dessus ou autour) d'une fenêtre diélectrique, et une alimentation de polarisation distincte est reliée au support du wafer
Densité du plasma (valeurs typiques)Moyenne. Environ 10⁹ à 10¹⁰ cm⁻³Élevée. Environ 10¹¹ à 10¹² cm⁻³
Pression de fonctionnement (valeurs typiques)Souvent de quelques Pa à quelques dizaines de PaBasse pression, d'environ 0,1 Pa à quelques Pa
Contrôle de la densité et de l'énergie des ionsAvec une seule alimentation, augmenter la puissance fait varier ensemble la densité et l'autopolarisation, d'où un contrôle indépendant difficile. Les systèmes à deux fréquences répartissent les rôlesLa puissance de la bobine règle la densité et la puissance de polarisation côté wafer règle l'énergie des ions : réglage séparé aisé
Énergie des ionsAutopolarisation importante : des énergies d'ions élevées s'obtiennent facilementEn abaissant la polarisation, on bombarde avec beaucoup d'ions de faible énergie, ce qui limite facilement les dommages
Dissociation du gazRelativement faible. Les molécules de départ et leurs fragments subsistent facilementForte. Le gaz est bien décomposé, et radicaux et ions sont nombreux
Gravures de prédilectionFilms diélectriques comme les oxydes et les films à faible constante diélectrique. La sélectivité est obtenue par un fort bombardement ionique et des polymères fluorocarbonés. Trous de contact à fort rapport d'aspectGravure rapide et fortement anisotrope du silicium (grilles, tranchées d'isolation), des métaux (interconnexions en aluminium, etc.) et des semi-conducteurs composés
Application au dépôtCVD assisté par plasma (PECVD) à électrodes planes parallèles. La contrainte du film est ajustée par le rapport des puissances haute et basse fréquenceCVD à plasma haute densité (HDP-CVD). Pendant le dépôt, la pulvérisation ionique grave l'entrée des tranchées pour remplir les tranchées étroites
Configuration de l'équipementRelativement simple : électrodes et alimentation RFBobine, fenêtre diélectrique, deux alimentations, etc. : un peu plus complexe

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

CCP (plasma à couplage capacitif)
Gravure de films diélectriques comme les oxydes, les nitrures et les films à faible constante diélectrique. Trous de contact profonds et autres cas exigeant une énergie des ions élevée et une sélectivité obtenue par les polymères. PECVD à électrodes planes parallèles.
ICP (plasma à couplage inductif)
Gravure rapide et fortement anisotrope du silicium et des métaux. Lorsque l'on veut un plasma dense avec une faible énergie des ions pour limiter les dommages. HDP-CVD pour remplir les tranchées étroites.
Tendance
Même en CCP, les systèmes à deux fréquences, où la haute fréquence assure la densité et la basse fréquence l'énergie des ions, sont largement utilisés et compensent la difficulté de contrôle indépendant.

Questions fréquentes

Pourquoi l'ICP permet-il de contrôler séparément la densité du plasma et l'énergie des ions ?

Parce que l'alimentation de la bobine qui crée le plasma et celle qui polarise le wafer sont distinctes. La puissance de la bobine règle la densité du plasma, et la puissance RF côté wafer règle l'autopolarisation et l'énergie des ions.

Pourquoi le CCP est-il souvent utilisé pour la gravure des oxydes ?

Le SiO2 a des liaisons fortes, et sa gravure exige une énergie des ions élevée. Le CCP obtient facilement une forte autopolarisation et dissocie relativement peu le gaz, ce qui permet d'obtenir facilement, grâce aux polymères fluorocarbonés, une sélectivité par rapport au nitrure ou au silicium sous-jacents.

Le CCP et l'ICP sont-ils utilisés ailleurs qu'en gravure ?

Oui. Le CCP à électrodes planes parallèles est largement utilisé dans les équipements de CVD assisté par plasma (PECVD), et les plasmas haute densité comme l'ICP ont servi au HDP-CVD, qui remplit les tranchées étroites en combinant dépôt et pulvérisation.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la caractéristique des équipements de gravure à plasma à couplage inductif (ICP) ?

  1. AIls n'utilisent pas de plasma
  2. BIls génèrent un plasma haute densité par une bobine et permettent de contrôler séparément la densité du plasma et l'énergie des ions
  3. CIls utilisent une solution liquide
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Réponse : B. Ils génèrent un plasma haute densité par une bobine et permettent de contrôler séparément la densité du plasma et l'énergie des ions

En ICP, un plasma haute densité de 10¹¹ à 10¹² cm⁻³ est généré par le champ électrique induit par un courant haute fréquence dans une bobine placée au-dessus ou autour de la chambre, et une polarisation est appliquée côté plaquette par une autre alimentation haute fréquence. La densité du plasma (quantité de radicaux et d'ions) et l'énergie des ions frappant la plaquette se règlent facilement de façon indépendante, ce qui permet une gravure rapide et très anisotrope à basse pression (quelques Pa ou moins) ; l'ICP est largement utilisé pour la gravure du silicium et des métaux.

Comment appelle-t-on, dans les équipements à plasma notamment à couplage capacitif, le phénomène par lequel l'électrode côté plaquette prend spontanément un potentiel continu négatif qui accélère les ions vers la plaquette ?

  1. AEffet Hall
  2. BEffet Seebeck
  3. CAutopolarisation (self-bias)
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Réponse : C. Autopolarisation (self-bias)

Sur une électrode soumise à une puissance haute fréquence, les électrons, légers et mobiles, affluent davantage que les ions ; l'électrode reliée par un condensateur prend donc en moyenne un potentiel continu négatif (autopolarisation, de quelques dizaines à quelques centaines de V). Cette différence de potentiel accélère les ions positifs du plasma vers la plaquette de façon quasi perpendiculaire, ce qui est exploité pour la gravure anisotrope. Modifier la puissance haute fréquence change l'autopolarisation et permet de régler l'énergie des ions.

Quelle est la définition de la gravure ionique réactive (RIE) ?

  1. AUne gravure combinant réaction chimique et bombardement ionique dans un plasma de gaz réactif
  2. BUne gravure par immersion de la plaquette dans une solution
  3. CL'abrasion de la surface de la plaquette par un tampon de polissage
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Réponse : A. Une gravure combinant réaction chimique et bombardement ionique dans un plasma de gaz réactif

La RIE est une gravure sèche combinant la réaction chimique des radicaux produits par un plasma de gaz réactif (fluoré, chloré, etc.) et le bombardement d'ions accélérés par un champ électrique. Les ions arrivant perpendiculairement à la plaquette accélèrent la réaction au fond, ce qui favorise la gravure verticale et permet un usinage très anisotrope. Contrairement à ce que suggère son nom, elle ne grave pas par les seuls ions : la synergie avec les radicaux en est l'essence.

  1. Que faut-il pour graver un oxyde en s'arrêtant sur le nitrure sous-jacent ?
  2. Pourquoi le CVD à plasma haute densité (HDP-CVD) a-t-il été utilisé pour remplir de diélectrique les tranchées étroites ?
  3. Quelle méthode permet d'ajuster la contrainte d'un nitrure de silicium PECVD de la compression à la traction ?

Questions d'entraînement sur Gravure

Termes clés expliqués

ICP (plasma à couplage inductif)
Méthode générant un plasma dense en faisant circuler un courant haute fréquence dans une bobine. Elle permet de contrôler séparément la densité du plasma et l'énergie des ions arrivant sur la plaquette.
Autopolarisation (self-bias)
Phénomène dans un réacteur plasma à couplage capacitif où l'électrode côté plaquette acquiert spontanément un potentiel continu négatif. Les ions positifs sont accélérés vers la plaquette, ce qui favorise la gravure anisotrope.
RIE (gravure ionique réactive)
Gravure sèche combinant des espèces réactives du plasma et des ions accélérés par un champ électrique. Elle permet une gravure anisotrope verticale.
HDP-CVD (CVD par plasma haute densité)
CVD utilisant un plasma haute densité, qui dépose tout en érodant par pulvérisation ionique le film à l'entrée des tranchées. Elle a été utilisée pour remplir d'isolant les tranchées étroites en limitant les vides.
PECVD (CVD assistée par plasma)
CVD dans laquelle un plasma décompose les gaz précurseurs pour déposer un film. Permet un dépôt à plus basse température que la CVD thermique ; utilisée pour les isolants des interconnexions.

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