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Gravure isotrope vs gravure anisotrope : profil, sous-gravure, origine de la directivité et sélectivité

La gravure isotrope enlève la matière à la même vitesse verticalement et latéralement : elle creuse sous le bord du masque (sous-gravure) et laisse un profil arrondi. La gravure anisotrope progresse beaucoup plus vite dans certaines directions, et il existe deux façons différentes de l’obtenir. La première est la gravure sèche, où des ions accélérés verticalement dans un plasma activent la réaction au fond tandis qu’une couche de passivation protège les flancs, ce qui donne des flancs presque verticaux. La seconde est la gravure humide du silicium monocristallin dans des solutions alcalines comme le KOH ou le TMAH, où les plans (111) se gravent très lentement, si bien que les plans cristallins fixent la forme. Humide ne veut pas toujours dire isotrope, ni sèche anisotrope : une gravure sèche par radicaux seuls est isotrope. La directivité se paie en sélectivité et en dommages : le choix dépend donc de l’objectif.

CritèreGravure isotropeGravure anisotrope (sèche, assistée par ions)Gravure anisotrope selon les plans cristallins (humide)
Origine de la directivitéAucune : la réaction chimique progresse de la même façon dans toutes les directionsLes ions accélérés verticalement par le champ électrique favorisent la réaction au fond, tandis qu’une couche de passivation protège les flancsLa vitesse de gravure diffère fortement selon les plans cristallins ; les plans (111) du silicium se gravent très lentement
ProfilArrondi, centré sur l’ouverture du masqueFlancs presque verticaux (angle de pente réglé par les conditions)Pentes d’environ 54,7° sur les wafers (100) ; parois verticales sur les wafers (110)
Sous-gravureImportante : environ autant latéralement qu’en profondeur, et davantage avec la surgravureFaibleS’arrête sur les plans (111) sous les bords de masque alignés selon <110> ; les coins convexes et les bords mal alignés sont sous-gravés
Méthodes typiquesGravure humide comme la gravure de l’oxyde au HF, gaz XeF2, plasma déporté qui ne fournit que des radicauxRIE, gravure ICP, procédé BoschSolutions alcalines comme le KOH et le TMAH
SélectivitéFacile à rendre élevée, car il n’y a presque pas d’enlèvement physiqueLe bombardement ionique érode aussi les masques et les couches sous-jacentes, et une directivité plus forte tend à réduire la sélectivitéÉlevée : les masques en nitrure de silicium et en oxyde (surtout avec le TMAH) sont à peine gravés
DommagesFaiblesLe bombardement ionique et les effets de charge peuvent causer des dommagesAucun dommage plasma
Contraintes de formeInadaptée aux motifs plus étroits que l’épaisseur du filmTransfère presque exactement la forme du masque ; les trous profonds subissent des effets comme la baisse de vitesse liée au rapport d’aspectNe fonctionne que sur le silicium monocristallin, avec des formes fixées par les plans cristallins ; les masques doivent être alignés sur l’orientation cristalline
Usages typiquesRetrait de films pleine plaque, nettoyage, gravure de couches sacrificielles en MEMS, retrait du SiGe entre les nanofeuillets GAAMotifs fins comme les grilles de transistors, les contacts, les tranchées et les vias ; trous verticaux profonds en MEMSMicro-usinage en volume comme les membranes MEMS, les rainures en V et les cavités pyramidales

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 ?

Gravure isotrope
Quand une sélectivité élevée ou l’absence de dommages sur la couche inférieure comptent plus que la précision dimensionnelle, et quand la sous-gravure elle-même est utile, pour évider sous une structure ou retirer une couche par le côté.
Gravure anisotrope (sèche, assistée par ions)
Quand des motifs étroits et verticaux doivent être transférés aux dimensions du masque. Presque tous les motifs fins des circuits intégrés avancés sont réalisés ainsi.
Gravure anisotrope selon les plans cristallins (humide)
Quand il faut obtenir à faible coût, dans du silicium monocristallin, des pentes précises, des rainures en V ou des membranes minces définies par les plans cristallins, principalement pour le micro-usinage en volume des MEMS.

Questions fréquentes

La gravure humide est-elle toujours isotrope ?

Non. La gravure en solution de films amorphes ou polycristallins est généralement isotrope, mais la gravure du silicium monocristallin dans le KOH ou le TMAH est anisotrope, car la vitesse diffère fortement selon les plans cristallins. Inversement, une gravure sèche qui n’utilise que des radicaux ou du gaz XeF2, sans ions, est isotrope.

Pourquoi les ions font-ils progresser la gravure uniquement vers le bas ?

Le potentiel négatif qui s’établit sur l’électrode du wafer accélère les ions presque verticalement, si bien qu’ils frappent surtout le fond du motif. Le bombardement ionique accélère fortement la réaction chimique avec les radicaux : le fond se grave donc beaucoup plus vite que les flancs. Des polymères et d’autres sous-produits se déposent sur les flancs en une couche de passivation qui bloque la gravure latérale.

Pourquoi directivité et sélectivité s’opposent-elles ?

Une directivité plus forte s’obtient en augmentant l’énergie des ions et la composante physique de la gravure, et cette composante ne distingue pas les matériaux : elle érode donc aussi les masques et les couches sous-jacentes. La gravure chimique isotrope n’a presque pas de composante physique et atteint facilement une sélectivité élevée, mais elle grave aussi latéralement. Les procédés réels équilibrent composition des gaz, énergie des ions et passivation.

Quelle sous-gravure la gravure isotrope provoque-t-elle ?

Une gravure parfaitement isotrope enlève latéralement, depuis le bord du masque, à peu près autant qu’en profondeur. Graver un film de 1 µm d’épaisseur donne environ 1 µm de sous-gravure, et la surgravure en ajoute. C’est pourquoi les motifs plus étroits que l’épaisseur du film sont réalisés par gravure anisotrope.

Vérifier vos connaissances

Lorsqu'un film de 1 µm d'épaisseur est gravé par gravure humide parfaitement isotrope jusqu'à atteindre exactement la sous-couche, quel est l'ordre de grandeur de la gravure latérale depuis le bord du masque (sous-gravure) ?

  1. AEnviron 1 µm
  2. BEnviron 10 µm
  3. CQuasiment nulle
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Réponse : A. Environ 1 µm

En gravure isotrope, la gravure progresse à la même vitesse verticalement et latéralement ; au moment où 1 µm a été gravé et la sous-couche atteinte, environ 1 µm a aussi été gravé latéralement depuis le bord du masque (sous-gravure). La surgravure accroît encore la gravure latérale. Il en résulte une variation de dimension au moins comparable à l'épaisseur du film, ce qui rend la méthode inadaptée aux motifs plus fins que l'épaisseur. À l'inverse, cette propriété est exploitée en MEMS pour évider le dessous des structures.

Quelle est la caractéristique de la gravure en aval (downstream), qui n'apporte à la plaquette que les radicaux produits par le plasma ?

  1. ALe bombardement ionique étant intense, l'anisotropie est très élevée
  2. BLe bombardement ionique étant quasi inexistant, la gravure est isotrope et peu endommageante
  3. CLa gravure utilise une solution
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Réponse : B. Le bombardement ionique étant quasi inexistant, la gravure est isotrope et peu endommageante

En gravure en aval (plasma déporté), la zone de génération du plasma est éloignée de la plaquette ; les ions et électrons se recombinent en chemin et disparaissent, si bien que seuls les radicaux neutres à longue durée de vie atteignent la plaquette. Sans impact ionique et avec les ultraviolets du plasma bloqués, les dommages sont faibles et la gravure est isotrope. Elle sert au retrait de résine, au retrait de films dans les étapes sensibles aux dommages ou au retrait du SiGe entre les nanofeuillets.

Quel gaz permet de graver le silicium de façon isotrope sans plasma, par exemple pour le retrait de couches sacrificielles en MEMS ?

  1. AO2 (oxygène)
  2. BN2 (azote)
  3. CXeF2 (difluorure de xénon)
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Réponse : C. XeF2 (difluorure de xénon)

Le XeF2 est un composé qui se sublime vers la température ambiante ; il réagit spontanément avec le silicium pour former du SiF4 et grave le silicium de façon isotrope sans plasma (2XeF2 + Si → 2Xe + SiF4). Sa sélectivité par rapport à l'oxyde, au nitrure, à la résine et à de nombreux métaux est très élevée, plus de 1000, et l'absence de liquide limite le collage (stiction) ; il est donc utilisé pour libérer les structures MEMS d'une couche sacrificielle en silicium.

  1. En exposant le silicium simultanément à du XeF2 gazeux et à un faisceau d'ions argon, la gravure progresse beaucoup plus vite que la somme des deux traitements séparés. Quelle propriété de la gravure sèche cela démontre-t-il ?
  2. Quel indicateur exprime l'inclinaison des flancs d'un trou ou d'une tranchée gravé par rapport à la verticale ?
  3. Quelle est la définition de la gravure anisotrope ?

Questions d'entraînement sur Gravure

Termes clés expliqués

Gravure isotrope
Gravure qui progresse à la même vitesse verticalement et latéralement. Elle attaque sous le masque (sous-gravure, undercut).
Gravure anisotrope
Gravure qui ne progresse que dans une direction donnée (principalement verticale). Indispensable pour la réalisation de motifs fins.
Sélectivité
En gravure, rapport entre la vitesse de gravure du film à graver et celle du masque ou de la couche sous-jacente. Plus elle est élevée, moins la sous-couche est endommagée.
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.
Procédé Bosch (Deep RIE)
Technique de gravure sèche qui alterne rapidement gravure et dépôt d'un film de protection des flancs pour creuser dans le silicium des trous et tranchées profonds et verticaux. Utilisée pour les MEMS et les TSV.
Gravure de couche sacrificielle
Procédé typique des MEMS consistant à éliminer par gravure une couche temporaire (couche sacrificielle) placée sous une structure, afin de libérer des poutres ou membranes mobiles.
Radical
Atome ou molécule neutre possédant un électron non apparié et chimiquement très réactif. Bien plus abondants que les ions dans un plasma, les radicaux assurent la gravure et le dépôt par voie chimique.
Orientation cristalline
Indication de l'orientation des plans et directions d'un cristal, exprimée par les indices de Miller comme (100). Pour les plaquettes de silicium destinées aux MOSFET, le plan (100) est le plus courant.

Comparatifs associés