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.

CritèreRIE à couplage capacitif (CCP)ICP-RIEALE (gravure par couches atomiques)
Génération du plasmaPuissance RF appliquée entre des électrodes planes parallèles, typiquement à 13,56 MHz. De nombreux équipements utilisent deux fréquencesUn 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 waferPas 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 typiqueDe quelques Pa à quelques dizaines de Pa environBasse pression, d'environ 0,1 Pa à quelques PaRéglée à chaque étape. Pendant la modification, le gaz est adsorbé ; pendant le retrait, la surface est bombardée d'ions
Densité du plasmaPlutôt 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 ionsUne 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 partieLa puissance de source de la bobine fixe la densité et la puissance de polarisation côté wafer fixe l'énergie des ions, de façon presque indépendanteL'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 gravureMoyenne (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
DirectionnalitéL'anisotropie est obtenue par le bombardement ionique et la protection des flancsÀ basse pression, les ions arrivent presque verticalement, ce qui favorise la gravure anisotrope à fort rapport d'aspectL'ALE plasma est directionnelle et peut ne graver que le fond. L'ALE thermique est isotrope
DommagesÉnergie des ions plutôt élevée : dommages à la sous-couche et charges électriques fréquentsEn abaissant la polarisation, on limite les dommages tout en conservant la vitesseLes plus faibles. Les ions sont de basse énergie et la surface reste lisse
Contrôle de la profondeurFixée par le temps et la détection de fin d'attaque. Il est difficile de s'arrêter à quelques nm prèsFixée par le temps et la détection de fin d'attaque. Près de la sous-couche, on change de conditions pour augmenter la sélectivitéFixée 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
DébitÉlevéÉlevéFaible. Réservée aux parties critiques de la fin du procédé
Usages typiquesGravure de films d'oxyde et de nitrure par des gaz fluorocarbonés, usinage de films diélectriques comme les trous de contactGrilles 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.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

RIE à couplage capacitif (CCP)
Pour usiner des films diélectriques comme l'oxyde ou le nitrure avec une énergie des ions plutôt élevée. La structure est simple, et de grandes électrodes permettent de créer un plasma uniforme.
ICP-RIE
Pour graver vite tout en réglant séparément l'énergie des ions afin de maîtriser les dommages et le profil : silicium, métaux, semi-conducteurs composés, tranchées profondes, etc.
ALE (gravure par couches atomiques)
Pour s'arrêter avec précision dans une plage de quelques nm, ou pour graver sans l'endommager un film de quelques couches atomiques seulement.
Ensemble
Dans un procédé réel, on grave parfois l'essentiel avec des conditions rapides comme l'ICP, on passe à des conditions très sélectives à l'approche de la sous-couche, puis on termine uniquement les derniers nm par ALE. Les deux peuvent aussi être réalisés dans le même équipement.

Questions fréquentes

L'ICP-RIE est-elle aussi une forme de RIE ?

Oui. RIE désigne la méthode qui grave en combinant réactions chimiques et bombardement ionique dans un plasma de gaz réactifs ; le couplage capacitif (CCP) et le couplage inductif (ICP) sont deux façons différentes de générer ce plasma. L'ICP-RIE est une RIE qui permet de contrôler séparément un plasma dense et l'énergie des ions.

Quelle est la différence entre ICP et CCP ?

En CCP, une seule puissance appliquée aux électrodes fixe à la fois la densité du plasma et l'énergie des ions. En ICP, la bobine fixe la densité et la polarisation côté wafer fixe l'énergie des ions : on peut donc créer un plasma dense à basse pression tout en maintenant une énergie des ions faible.

Pourquoi utilise-t-on l'ALE alors qu'elle est très lente ?

Comme chaque étape s'arrête d'elle-même, la quantité gravée est fixée par le nombre de cycles et non par le temps, ce qui permet de s'arrêter précisément à l'échelle de la couche atomique. Les dommages sont aussi faibles, et elle est utilisée dans les procédés avancés, où les dimensions des transistors atteignent quelques nm, uniquement pour les parties où la surgravure n'est pas tolérable.

Vérifier vos connaissances

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.

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.

Quelle est la caractéristique de la gravure par couches atomiques (ALE) ?

  1. AElle grave rapidement plusieurs µm en un seul traitement
  2. BElle alterne modification et retrait de la surface pour contrôler la quantité gravée à l'échelle de la couche atomique
  3. CC'est une gravure humide isotrope utilisant une solution
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Réponse : B. Elle alterne modification et retrait de la surface pour contrôler la quantité gravée à l'échelle de la couche atomique

L'ALE répète un procédé autolimité : d'abord, seule la couche superficielle est modifiée par réaction, par exemple par adsorption de chlore, puis seule cette couche est retirée par des ions de faible énergie ou analogue. La quantité gravée par cycle étant constante, environ 0,1 à 0,5 nm, le contrôle est précis à l'échelle de la couche atomique, les dommages de surface sont faibles et les différences de vitesse selon la densité des motifs réduites. Équivalent en gravure de l'ALD, elle commence à être utilisée pour les GAA et l'environnement de grille.

  1. 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 ?
  2. Quel est l'un des mécanismes permettant d'obtenir l'anisotropie en gravure sèche ?
  3. Comment appelle-t-on le phénomène par lequel, pendant la gravure plasma, un conducteur faisant antenne, comme une longue interconnexion, collecte des charges et endommage l'oxyde de grille auquel il est relié ?

Questions d'entraînement sur Gravure

Termes clés expliqués

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.
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.
ALE (gravure de couches atomiques)
Technique qui alterne des réactions de modification et de retrait de surface pour graver à chaque cycle une quantité de l'ordre d'une couche atomique. La quantité gravée est contrôlée de façon extrêmement précise.
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.
Gravure anisotrope
Gravure qui ne progresse que dans une direction donnée (principalement verticale). Indispensable pour la réalisation de motifs fins.

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