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KOH vs TMAH pour la gravure anisotrope du silicium : vitesse, masques, compatibilité CMOS

Le KOH et le TMAH sont deux solutions alcalines qui dissolvent le silicium à des vitesses très différentes selon le plan cristallin. Les plans (111) se gravent beaucoup plus lentement que les autres : sur une plaquette (100), ils apparaissent comme des flancs inclinés d’environ 54,7°, ce qui permet de réaliser des rainures en V, des cavités pyramidales et de fines membranes. Le KOH est bon marché, présente une grande différence de vitesse entre plans et sert depuis longtemps au micro-usinage en volume des MEMS. Cependant, les ions potassium perturbent les caractéristiques des transistors : le KOH ne peut donc pas entrer dans un procédé CMOS. Le TMAH ne contient pas d’ions métalliques : il se combine plus facilement au CMOS et peut utiliser des masques d’oxyde, mais sa différence de vitesse entre plans est plus faible. Il est aussi absorbé par la peau et peut provoquer des intoxications graves : il exige donc une manipulation particulièrement prudente.

CritèreKOHTMAH
Composition et conditionsHydroxyde de potassium aqueux, typiquement environ 20 à 40 % en masse à environ 60 à 90 °CHydroxyde de tétraméthylammonium aqueux (une base organique sans métal), typiquement environ 5 à 25 % en masse à environ 70 à 90 °C
Vitesse de gravure typique du plan (100)Typiquement autour de 1 µm par minute (varie fortement avec la concentration et la température)Typiquement environ 0,3 à 1 µm par minute, souvent plus lent que le KOH
Rapport de vitesse (100)/(111)Élevé : typiquement plus de 100, et plusieurs centaines dans certaines conditionsPlus faible : typiquement quelques dizaines (à partir d’environ dix)
Masques utilisablesLe nitrure de silicium (LPCVD) est le meilleur ; le SiO2 se grave à une vitesse non négligeable, les gravures longues exigent donc une couche épaisseLe SiO2 se grave très lentement : l’oxyde thermique fait donc un bon masque ; le nitrure de silicium est aussi utilisable
Compatibilité CMOSMauvaise : les ions potassium pénètrent l’oxyde de grille comme ions mobiles et décalent la tension de seuil, si bien que le KOH est tenu à l’écart des procédés CMOS ; il attaque aussi rapidement l’aluminiumBonne : il ne contient pas d’ions métalliques et peut donc servir à l’usinage des MEMS après la fabrication des circuits CMOS (post-CMOS) ; il attaque l’aluminium, mais on connaît des conditions qui limitent cette attaque, comme la dissolution de silicium dans la solution
Rugosité de surfaceDes surfaces relativement lisses s’obtiennent plus facilement à forte concentrationÀ faible concentration, de petites protubérances pyramidales se forment facilement sur les surfaces (100) ; une concentration plus élevée donne des surfaces plus lisses mais une gravure plus lente
Sécurité et manipulationBase forte qui provoque de graves lésions de la peau et des yeux ; bon marché et facile à manipulerEn plus d’être une base forte, il peut être absorbé par la peau et bloquer la transmission des signaux des nerfs aux muscles, ce qui peut provoquer une intoxication générale comme un arrêt respiratoire ; les solutions concentrées sont particulièrement dangereuses
Usages typiquesUsinage en volume de MEMS sans circuits, comme les membranes de capteurs de pression, les rainures en V pour aligner les fibres optiques, les buses de jet d’encre et les trous traversant la plaquetteLibération de structures MEMS construites sur la même puce que des circuits (comme les capteurs thermiques), et gravure anisotrope du silicium là où la contamination par des ions métalliques doit être évitée

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 ?

KOH
Convient à la gravure bon marché, rapide et profonde de pièces MEMS sans circuits. Sa grande différence de vitesse entre plans facilite l’obtention de formes précises, et l’on utilise du nitrure de silicium comme masque.
TMAH
Le choix lorsqu’on traite des plaquettes portant des circuits CMOS ou lorsque la contamination par des ions métalliques doit être évitée. Pouvoir utiliser l’oxyde thermique comme masque est un autre avantage, mais la manipulation exige des équipements de protection et des procédures stricts.

Questions fréquentes

Pourquoi les plans (111) se gravent-ils si lentement ?

L’explication habituelle est que chaque atome de surface d’un plan (111) est retenu par trois liaisons au cristal sous-jacent et n’a qu’une liaison exposée en surface : la solution a donc du mal à l’arracher. À cause de cette différence, les plans (111) d’une plaquette (100) restent presque intacts et forment des flancs inclinés d’environ 54,7°.

Pourquoi le KOH ne peut-il pas être utilisé dans un procédé CMOS ?

Le potassium est un métal alcalin comme le sodium, et il devient un ion mobile qui se déplace dans l’oxyde de grille et décale la tension de seuil. Même d’infimes quantités posent problème : les équipements et les plaquettes qui ont été en contact avec du KOH sont donc tenus à l’écart des procédés CMOS.

Comment arrêter la gravure à une profondeur donnée ?

Le silicium très fortement dopé au bore n’est presque pas gravé par les solutions alcalines : la gravure s’arrête donc sur cette couche (arrêt de gravure au bore) ; cela fonctionne avec le KOH comme avec le TMAH. D’autres options sont l’arrêt de gravure électrochimique, qui applique une tension à une jonction pn, et l’arrêt sur l’oxyde enterré d’une plaquette SOI. Un contrôle par le seul temps reporte directement la variation d’épaisseur de la plaquette sur l’épaisseur de la membrane restante.

Le TMAH est-il le même produit que le développeur de résine photosensible ?

C’est la même substance, à une concentration et une température différentes. Le développeur est une solution diluée d’environ 2,38 % utilisée près de la température ambiante, tandis que la gravure du silicium utilise environ 5 à 25 % chauffé à environ 70 à 90 °C. Dans les deux cas, il faut éviter tout contact avec la peau, et les solutions concentrées sont particulièrement dangereuses.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la caractéristique de la gravure humide du silicium par une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium (KOH) ?

  1. ALa vitesse de gravure varie fortement selon le plan cristallin, le plan (111) étant très lent, ce qui produit notamment des tranchées en V à flancs inclinés
  2. BC'est une gravure isotrope progressant à la même vitesse sur tous les plans cristallins
  3. CElle dissout rapidement l'oxyde
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Réponse : A. La vitesse de gravure varie fortement selon le plan cristallin, le plan (111) étant très lent, ce qui produit notamment des tranchées en V à flancs inclinés

Les solutions alcalines comme le KOH gravent le plan (111) du silicium environ 100 fois plus lentement que le plan (100) ; sur une plaquette (100), les plans (111) apparaissent et forment des tranchées en V ou des cavités pyramidales à flancs inclinés d'environ 54,7°. Cette anisotropie liée à l'orientation cristalline est exploitée pour réaliser les membranes de capteurs de pression MEMS, les buses de jet d'encre ou la texturation de surface des cellules solaires qui piège la lumière.

Pourquoi utilise-t-on un alcali organique comme le TMAH plutôt que l'hydroxyde de sodium, etc., dans les développeurs pour semi-conducteurs ?

  1. AParce que le TMAH est plus fortement coloré
  2. BParce que le TMAH est toujours moins cher
  3. CPour éviter la contamination par des ions métalliques comme le sodium
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Réponse : C. Pour éviter la contamination par des ions métalliques comme le sodium

Les ions de métaux alcalins comme le sodium ou le potassium deviennent des ions mobiles qui se déplacent sous champ électrique dans l'oxyde et font dériver la tension de seuil des transistors. Cette contamination au sodium fut la principale cause de l'instabilité des premiers composants MOS. Le TMAH, alcali organique sans métal, écarte ce risque. Ni la couleur ni le prix ne motivent ce choix, et le TMAH n'est pas toujours moins cher.

Pourquoi le contact cutané avec une solution concentrée de TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium), utilisé comme révélateur, est-il considéré comme particulièrement dangereux ?

  1. AParce qu'il émet un rayonnement intense
  2. BParce qu'il est absorbé par la peau, perturbe le fonctionnement des nerfs et des muscles et peut provoquer une intoxication systémique, comme un arrêt respiratoire
  3. CParce qu'il gèle instantanément et provoque des gelures
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Réponse : B. Parce qu'il est absorbé par la peau, perturbe le fonctionnement des nerfs et des muscles et peut provoquer une intoxication systémique, comme un arrêt respiratoire

Le TMAH est une base forte qui lèse la peau, mais en outre, les ions tétraméthylammonium absorbés par la peau perturbent la transmission des signaux des nerfs vers les muscles et peuvent provoquer un arrêt respiratoire. La solution concentrée à environ 25 %, proche du produit pur, est bien plus dangereuse que la solution à 2,38 % utilisée pour le développement ; des décès par contact ont été signalés, notamment à Taïwan. Le port d'équipements de protection ainsi que le rinçage et la consultation immédiats en cas de contact sont essentiels.

  1. Quelle est la définition de la gravure anisotrope ?
  2. Quelle est la caractéristique générale de la gravure humide ?

Questions d'entraînement sur Gravure

Termes clés expliqués

Gravure anisotrope
Gravure qui ne progresse que dans une direction donnée (principalement verticale). Indispensable pour la réalisation de motifs fins.
Gravure humide
Méthode qui dissout un film en le plongeant dans une solution chimique. Sélectivité élevée et peu de dommages, mais généralement isotrope, donc peu adaptée aux motifs fins.
TMAH
Hydroxyde de tétraméthylammonium. Base organique sans ions métalliques, utilisée comme révélateur de résine photosensible. Attention à l'intoxication par absorption cutanée.
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.
Ions mobiles
Ions comme le sodium ou le potassium capables de se déplacer dans l'oxyde de grille. Ils migrent sous l'effet du champ et de la température et font varier la tension de seuil. Pouvant provenir par exemple de la sueur humaine, ils font l'objet d'un contrôle strict.
MEMS
Microsystèmes électromécaniques. Dispositifs intégrant des microstructures mécaniques et des circuits électroniques grâce aux techniques de microfabrication des semi-conducteurs.
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.

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