RIE vs ICP-RIE vs ALE : pression, densité de plasma et précision
Toutes trois sont des gravures sèches utilisant un plasma, mais elles diffèrent par la façon de générer le plasma et de graver. La RIE à couplage capacitif (CCP) applique une puissance RF à des électrodes planes parallèles : sa structure est simple, mais il est difficile d'y fixer séparément la densité du plasma et l'énergie des ions. L'ICP-RIE crée un plasma dense à l'aide d'une bobine et fixe l'énergie des ions par une alimentation distincte côté wafer, ce qui permet de graver vite tout en limitant les dommages. L'ALE alterne la modification de la surface et son retrait, et n'enlève à chaque cycle qu'une quantité de l'ordre de la couche atomique : elle est lente, mais permet de contrôler la profondeur avec une extrême précision.
| Critère | RIE à couplage capacitif (CCP) | ICP-RIE | ALE (gravure par couches atomiques) |
|---|---|---|---|
| Génération du plasma | Puissance RF appliquée entre des électrodes planes parallèles, typiquement à 13,56 MHz. De nombreux équipements utilisent deux fréquences | Un courant RF circule dans une bobine placée à l'extérieur d'une fenêtre diélectrique, et le champ électrique induit accélère les électrons. Une alimentation de polarisation distincte est prévue côté wafer | Pas de méthode imposée. Le plus souvent réalisée dans un équipement de gravure de type ICP ou autre, en commutant l'alimentation en gaz et la polarisation à chaque étape (ALE plasma) |
| Pression typique | De quelques Pa à quelques dizaines de Pa environ | Basse pression, d'environ 0,1 Pa à quelques Pa | Réglée à chaque étape. Pendant la modification, le gaz est adsorbé ; pendant le retrait, la surface est bombardée d'ions |
| Densité du plasma | Plutôt faible (de l'ordre de 10⁹ à 10¹⁰ cm⁻³) | Élevée (de l'ordre de 10¹¹ à 10¹² cm⁻³) | Dépend de l'équipement utilisé. Plus que la densité, l'essentiel est que chaque étape s'arrête d'elle-même (autolimitation) |
| Contrôle de l'énergie des ions | Une seule puissance fixe à la fois la densité et l'autopolarisation, d'où un contrôle séparé difficile. L'utilisation de deux fréquences les découple en partie | La puissance de source de la bobine fixe la densité et la puissance de polarisation côté wafer fixe l'énergie des ions, de façon presque indépendante | L'énergie des ions de l'étape de retrait est réglée dans une plage étroite (typiquement quelques dizaines d'eV) qui n'enlève que la couche modifiée sans pulvériser la sous-couche |
| Vitesse de gravure | Moyenne (de quelques dizaines à quelques centaines de nm/min environ selon les conditions) | Élevée (de quelques centaines de nm/min à quelques µm/min environ pour le silicium) | Très lente : environ 0,1 à 0,5 nm par cycle, et la commutation des gaz et les purges prennent du temps |
| Directionnalité | L'anisotropie est obtenue par le bombardement ionique et la protection des flancs | À basse pression, les ions arrivent presque verticalement, ce qui favorise la gravure anisotrope à fort rapport d'aspect | L'ALE plasma est directionnelle et peut ne graver que le fond. L'ALE thermique est isotrope |
| Dommages | Énergie des ions plutôt élevée : dommages à la sous-couche et charges électriques fréquents | En abaissant la polarisation, on limite les dommages tout en conservant la vitesse | Les plus faibles. Les ions sont de basse énergie et la surface reste lisse |
| Contrôle de la profondeur | Fixée par le temps et la détection de fin d'attaque. Il est difficile de s'arrêter à quelques nm près | Fixée par le temps et la détection de fin d'attaque. Près de la sous-couche, on change de conditions pour augmenter la sélectivité | Fixée par le nombre de cycles. Permet de s'arrêter à l'échelle de la couche atomique, avec peu d'écart entre motifs denses et motifs clairsemés |
| Débit | Élevé | Élevé | Faible. Réservée aux parties critiques de la fin du procédé |
| Usages typiques | Gravure de films d'oxyde et de nitrure par des gaz fluorocarbonés, usinage de films diélectriques comme les trous de contact | Grilles en silicium et en polysilicium, STI, interconnexions métalliques, semi-conducteurs composés, gravure profonde pour les MEMS (procédé Bosch) | Étapes devant s'arrêter à quelques nm près, comme autour des nanofeuillets GAA et des grilles, usinage de films extrêmement minces, retraits (recess) à faibles dommages |
Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.