Technologie du processus de gravure des semi-conducteurs

La gravure, ou gravure, est une étape cruciale dans les processus de fabrication de semi-conducteurs, de circuits intégrés microélectroniques et de fabrication micro/nano. Il s'agit d'un processus de structuration primaire associé à la photolithographie. Au sens strict, la gravure est essentiellement une gravure photolithographique, où la résine photosensible est d'abord exposée par photolithographie, puis d'autres méthodes sont utilisées pour éliminer le matériau indésirable. La gravure est le processus d'élimination sélective des matériaux indésirables de la surface d'une plaquette de silicium à l'aide de méthodes chimiques ou physiques. Son objectif fondamental est de reproduire avec précision le motif du masque sur la plaquette de silicium recouverte. Avec le développement des processus de microfabrication, la gravure est devenue largement un terme général désignant le décapage et l'élimination de matériaux à l'aide de solutions, d'ions réactifs ou d'autres méthodes mécaniques, devenant ainsi un terme courant dans le domaine de la microfabrication.

La gravure peut être globalement classée en deux types : la gravure humide et la gravure sèche. Lors de la gravure sèche, le gaz est excité à hautes fréquences (principalement 13,56 MHz ou 2,45 GHz). Sous des pressions de 1 à 100 Pa, son libre parcours moyen varie de quelques millimètres à quelques centimètres. Il existe trois principaux types de gravure sèche :

• Gravure sèche physique : accélère l'usure physique des particules à la surface de la tranche ;

• Gravure chimique sèche : le gaz réagit chimiquement avec la surface de la plaquette ;

• Gravure sèche chimique-physique : Un processus de gravure physique avec des propriétés chimiques ;

1. Gravure par faisceau d'ions

La gravure par faisceau d'ions est un processus physique de gravure sèche. Les ions argon sont rayonnés sur la surface dans un faisceau d'ions d'environ 1 à 3 keV. En raison de l’énergie des ions, ils bombardent le matériau de surface. La plaquette est insérée verticalement ou selon un angle dans le faisceau d'ions et le processus de gravure est absolument anisotrope. La sélectivité est faible car elle ne fait pas de différence entre les couches. Le gaz et le matériau poli sont expulsés par une pompe à vide ; cependant, comme les produits de réaction ne sont pas gazeux, des particules peuvent se déposer sur les parois de la tranche ou de la chambre.

Pour éviter ces particules, un deuxième gaz est introduit dans la chambre. Ce gaz réagit avec les ions argon, induisant un processus de gravure physico-chimique. Une partie du gaz réagit avec la surface, mais une autre partie réagit avec les particules polies pour former des sous-produits gazeux. Presque tous les matériaux peuvent être gravés avec cette méthode. Du fait du rayonnement vertical, l’usure des parois verticales est très faible (forte anisotropie). Cependant, en raison de sa faible sélectivité et de son faible taux de gravure, ce procédé est rarement utilisé dans la fabrication moderne de semi-conducteurs.

2. Gravure au plasma

La gravure plasma est un procédé de gravure absolument chimique (gravure chimique sèche). Son avantage est que la surface de la plaquette n'est pas endommagée par les ions accélérés. En raison des particules mobiles du gaz de gravure, le profil de gravure est isotrope, ce qui rend cette méthode adaptée à l'élimination de couches de film entières (par exemple, nettoyage du verso après oxydation thermique).

Un type de réacteur utilisé pour la gravure au plasma est un réacteur en aval. Le plasma est allumé à une fréquence élevée de 2,45 GHz par ionisation par impact, et le site d'ionisation par impact se sépare de la tranche.

Dans la zone de décharge gazeuse, diverses particules, notamment des radicaux libres, sont présentes en raison de l'impact. Les radicaux libres sont des atomes ou des molécules neutres contenant des électrons insaturés et sont donc très réactifs. En tant que gaz neutre, le tétrafluorométhane (CF4) est introduit dans la région de décharge gazeuse et se sépare en molécules de CF2 et de fluor (F2). De même, le fluor peut être séparé du CF4 en ajoutant de l'oxygène (O2) :

2 CF4 + O2 ---> 2 COF2 + 2 F2

La molécule de fluor peut être divisée en deux atomes de fluor distincts par l'énergie présente dans la région de décharge gazeuse : chaque atome de fluor est un radical libre de fluor, car chaque atome possède sept électrons de valence et vise à obtenir une configuration de gaz inerte. Outre les radicaux libres neutres, il existe plusieurs particules partiellement chargées (CF+4, CF+3, CF+2, ...). Toutes les particules, radicaux libres, etc., pénètrent ensuite dans la chambre de gravure par un tube en céramique. Les particules chargées peuvent être bloquées hors de la chambre de gravure par une grille d'extraction ou se recombiner lors de leur formation de molécules neutres. Les radicaux fluorés se recombinent également partiellement, mais suffisamment pour atteindre la chambre de gravure, réagir sur la surface de la tranche et provoquer une abrasion chimique. Les autres particules neutres ne font pas partie du processus de gravure et sont épuisées avec les produits de réaction.

Exemples de films minces pouvant être gravés par gravure plasma : • Silicium : Si + 4F ---> SiF4 • Dioxyde de silicium : SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • Nitrure de silicium : Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. Caractéristiques de gravure ionique réactive (RIE) : la sélectivité, le profil de gravure, la vitesse de gravure, l'uniformité et la répétabilité peuvent tous être contrôlés très précisément dans la gravure ionique réactive. Des profils de gravure isotropes ainsi que des profils anisotropes sont possibles. Par conséquent, le RIE est un processus de gravure physico-chimique et constitue le processus le plus important dans la fabrication de semi-conducteurs pour construire une grande variété de films minces. Dans la chambre de traitement, la plaquette est placée sur une électrode haute fréquence (électrode HF). Le plasma est généré par ionisation par impact, dans laquelle apparaissent des électrons libres et des ions chargés positivement. Si l'électrode HF est à une tension positive, des électrons libres s'y accumulent et ne peuvent plus quitter l'électrode en raison de leur affinité électronique. Par conséquent, l’électrode est chargée à -1 000 V (tension de polarisation). Les ions lents qui ne peuvent pas suivre le champ alternatif rapide se déplacent vers l'électrode chargée négativement.

Si le libre parcours moyen des ions est élevé, les particules bombardent la surface de la plaquette selon des angles presque perpendiculaires. Ainsi, le matériau est éjecté de la surface par des ions accélérés (gravure physique), et certaines particules réagissent également chimiquement avec la surface. Les flancs latéraux ne sont pas affectés, il n'y a donc pas d'usure et le profil de gravure reste anisotrope. La sélectivité n’est pas trop faible, mais elle n’est pas trop grande en raison du processus de gravure physique. De plus, la surface de la tranche est endommagée par les ions accélérés et doit être durcie par recuit thermique. La partie chimique du processus de gravure est réalisée par la réaction des radicaux libres avec la surface et le matériau physiquement broyé, de sorte qu'il ne se redépose pas sur la plaquette ou les parois de la chambre comme dans la gravure par faisceau d'ions. En augmentant la pression dans la chambre de gravure, le libre parcours moyen des particules diminue. Il y a donc davantage de collisions et les particules se déplacent dans des directions différentes. Il en résulte une gravure moins directionnelle et le processus de gravure acquiert davantage de propriétés chimiques. Une sélectivité accrue aboutit à un profil de gravure plus isotrope. Des profils de gravure anisotropes sont obtenus grâce à la passivation des parois latérales pendant la gravure du silicium. L'oxygène présent dans la chambre de gravure réagit avec le silicium broyé pour former du dioxyde de silicium, qui se dépose sur les parois latérales verticales. Le film d'oxyde sur les régions horizontales est éliminé en raison du bombardement ionique, permettant ainsi au processus de gravure latérale de se poursuivre.

Le taux de gravure dépend de la pression, de la puissance du générateur haute fréquence, du gaz de traitement, du débit de gaz réel et de la température de la tranche. L'anisotropie augmente avec l'augmentation de la puissance haute fréquence, la diminution de la pression et la diminution de la température. L'uniformité du processus de gravure dépend du gaz, de la distance entre les deux électrodes et du matériau de l'électrode. Si la distance est trop petite, le plasma ne peut pas être dispersé uniformément, ce qui entraîne une inhomogénéité. L'augmentation de la distance entre les électrodes réduit le taux de gravure car le plasma est distribué sur un volume étendu. Pour les électrodes, le carbone s’est avéré être le matériau privilégié. Étant donné que le fluor et le chlore attaquent également le carbone, les électrodes produisent un plasma tendu uniforme, de sorte que les bords de la tranche sont affectés de la même manière que le centre de la tranche.

La sélectivité et la vitesse de gravure dépendent fortement du gaz de procédé. Pour le silicium et les composés de silicium, le fluor et le chlore sont principalement utilisés.

Les processus de gravure ne se limitent pas à un seul gaz, à un mélange de gaz ou à des paramètres de processus fixes. Par exemple, les oxydes natifs du polysilicium peuvent être éliminés d'abord à une vitesse de gravure élevée et avec une faible sélectivité, suivi d'une gravure du polysilicium avec une sélectivité plus élevée par rapport aux couches sous-jacentes.

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