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Gravure humide vs gravure sèche : les principales différences en fabrication de semi-conducteurs

La gravure enlève de la matière du wafer pour former des motifs. La gravure humide dissout le matériau dans un produit chimique liquide ; elle est simple, rapide et très sélective, mais elle grave généralement aussi latéralement qu'en profondeur (isotrope). La gravure sèche utilise un plasma de gaz réactifs dans une chambre sous vide, et les ions peuvent la rendre fortement directionnelle (anisotrope), ce qui est indispensable pour découper les motifs étroits et verticaux des puces modernes.

CritèreGravure humideGravure sèche
MilieuProduits chimiques liquides, comme le HF pour l'oxyde, l'acide phosphorique chaud pour le nitrure et le KOH pour le siliciumPlasma de gaz réactifs dans une chambre sous vide, comme en RIE
DirectionnalitéGénéralement isotrope : elle grave aussi latéralement et sous-grave le masque (le KOH sur silicium fait exception en suivant les plans cristallins)Peut être très anisotrope, avec des flancs quasi verticaux grâce au bombardement ionique et à la passivation des flancs
SélectivitéGénéralement très élevée, car la chimie est spécifiquePlus faible, et ajustée par la chimie des gaz et les conditions du plasma
Plus petits motifsLimités par la sous-gravure ; utilisée pour les grands motifs et le retrait de filmsIndispensable pour les motifs à l'échelle nanométrique
DébitÉlevé : de nombreux wafers peuvent être traités ensemble dans un bainPlus faible : généralement un wafer à la fois
Contrôle du procédéDépend de la température du bain, de la concentration et du tempsPrécis, avec détection de fin d'attaque à partir de l'émission du plasma
DommagesAucun dommage dû au plasmaDommages plasma et charges électriques possibles (effet d'antenne)
Équipement et déchetsÉquipement simple, mais déchets chimiques liquidesÉquipement sous vide complexe et traitement des gaz d'échappement, d'où un coût plus élevé
Usages typiquesNettoyage des wafers, retrait de films (oxyde, nitrure), gravure de volume du silicium pour les MEMSStructuration des grilles, contacts, tranchées et vias dans les circuits intégrés avancés

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 humide
Lorsque la sélectivité compte plus que la forme, ou pour retirer un film entier ou nettoyer : retrait d'oxyde, retrait de nitrure, gravure de volume pour les MEMS.
Gravure sèche
Lorsque le motif est fin et qu'il faut des flancs verticaux : grilles de transistors, contacts, tranchées et vias.
Ensemble
Un flux de fabrication utilise les deux. La gravure sèche définit les motifs fins, et les étapes humides nettoient et retirent les films ensuite.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre gravure isotrope et anisotrope ?

La gravure isotrope enlève la matière de façon égale dans toutes les directions, elle sous-grave donc le masque. La gravure anisotrope l'enlève principalement dans une direction (vers le bas), laissant des flancs verticaux. La gravure humide est généralement isotrope, tandis que la gravure sèche peut être anisotrope.

Pourquoi utilise-t-on la gravure sèche pour les motifs fins ?

Les ions du plasma donnent à la gravure sèche une direction marquée, ce qui permet de découper des motifs étroits et verticaux. La gravure humide sous-grave le masque et ne peut pas réaliser de motifs à l'échelle nanométrique.

Pourquoi la gravure humide est-elle encore utilisée ?

Elle est simple, rapide, traite de nombreux wafers à la fois et offre une sélectivité très élevée. Elle sert au nettoyage, au retrait de films et à la gravure de volume du silicium pour les MEMS.

Qu'est-ce que la sélectivité en gravure ?

La sélectivité est le rapport entre la vitesse de gravure du matériau visé et celle du matériau à conserver. La gravure humide a généralement une sélectivité très élevée, tandis que la gravure sèche est ajustée par la chimie des gaz et les conditions du plasma.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la définition de la gravure anisotrope ?

  1. ALa gravure progresse principalement dans la direction verticale et presque pas latéralement
  2. BLa gravure progresse à la même vitesse dans toutes les directions
  3. CSeul le matériau du masque est attaqué sélectivement
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Réponse : A. La gravure progresse principalement dans la direction verticale et presque pas latéralement

En gravure anisotrope, le bombardement d'ions accélérés verticalement par le champ électrique et l'action d'une couche protégeant les flancs font progresser préférentiellement la gravure verticale, tandis que la gravure latérale sous le masque est quasi inexistante. Le motif du masque est ainsi transféré fidèlement sans changement de dimension, ce qui permet de réaliser des formes fines et verticales, par exemple de quelques dizaines de nm de large pour plusieurs µm de profondeur. Une gravure progressant à la même vitesse dans toutes les directions est une gravure isotrope.

Quelle est la caractéristique générale de la gravure humide ?

  1. AElle utilise un plasma et est donc très anisotrope
  2. BElle progresse généralement de façon isotrope et s'étend facilement sous le masque
  3. CElle nécessite impérativement un équipement sous vide
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Réponse : B. Elle progresse généralement de façon isotrope et s'étend facilement sous le masque

La gravure humide dissout le film par réaction chimique avec une solution ; elle progresse donc généralement de la même façon dans toutes les directions (isotrope) et s'étend sous le masque sur une distance comparable à l'épaisseur du film (gravure latérale). L'équipement est simple, de nombreuses plaquettes peuvent être traitées à la fois, et la nature chimique de la réaction facilite une sélectivité élevée. La gravure sèche est utilisée pour les motifs fins, mais la gravure humide reste importante pour le retrait pleine plaque des films et le nettoyage.

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. Quel est l'un des mécanismes permettant d'obtenir l'anisotropie en gravure sèche ?
  2. 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 ?
  3. Quelle est la caractéristique de la gravure humide du silicium par une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium (KOH) ?

Questions d'entraînement sur Gravure

Termes clés expliqués

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.
Gravure sèche
Méthode de gravure des films par plasma ou gaz, sans solution chimique. Combinée au bombardement ionique, elle permet une gravure anisotrope, indispensable à la formation des motifs fins.
Gravure anisotrope
Gravure qui ne progresse que dans une direction donnée (principalement verticale). Indispensable pour la réalisation de motifs fins.
Gravure isotrope
Gravure qui progresse à la même vitesse verticalement et latéralement. Elle attaque sous le masque (sous-gravure, undercut).
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.

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