Les premières techniques de gravure chimique par voie humide ont favorisé le développement de procédés de nettoyage ou de décapage. Aujourd'hui, la gravure sèche au plasma est devenue la méthode dominante.procédé de gravureLe plasma est composé d'électrons, de cations et de radicaux. L'énergie appliquée au plasma provoque l'arrachement des électrons de valence du gaz source à l'état neutre, les convertissant ainsi en cations.
De plus, les atomes imparfaits des molécules peuvent être éliminés en fournissant de l'énergie pour former des radicaux électriquement neutres. La gravure sèche utilise les cations et les radicaux qui constituent le plasma ; les cations sont anisotropes (permettant une gravure dans une direction précise) et les radicaux sont isotropes (permettant une gravure dans toutes les directions). Le nombre de radicaux est bien supérieur à celui des cations. Dans ce cas, la gravure sèche devrait être isotrope, comme la gravure chimique.
Cependant, c'est la gravure anisotrope de la gravure sèche qui rend possible la miniaturisation des circuits. Pourquoi ? De plus, la vitesse de gravure des cations et des radicaux est très lente. Comment, dès lors, appliquer les méthodes de gravure plasma à la production de masse malgré cette limitation ?
1. Rapport d'aspect (A/R)
Figure 1. Le concept de rapport d'aspect et l'impact du progrès technologique sur celui-ci
Le rapport d'aspect est le rapport entre la largeur horizontale et la hauteur verticale (hauteur divisée par largeur). Plus la dimension critique (CD) du circuit est petite, plus le rapport d'aspect est élevé. Ainsi, pour un rapport d'aspect de 10 et une largeur de 10 nm, la hauteur du trou percé lors de la gravure doit être de 100 nm. Par conséquent, pour les produits de nouvelle génération nécessitant une ultra-miniaturisation (2D) ou une haute densité (3D), des rapports d'aspect extrêmement élevés sont indispensables pour permettre la pénétration des cations dans la couche inférieure lors de la gravure.
Pour parvenir à une miniaturisation extrême avec une dimension critique inférieure à 10 nm dans les produits 2D, le rapport d'aspect des condensateurs de la mémoire vive dynamique (DRAM) doit être supérieur à 100. De même, la mémoire flash NAND 3D requiert des rapports d'aspect plus élevés pour empiler 256 couches ou plus de cellules. Même si les conditions requises pour les autres procédés sont remplies, les produits souhaités ne peuvent être fabriqués si…procédé de gravuren'est pas à la hauteur des normes. C'est pourquoi la technologie de gravure devient de plus en plus importante.
2. Aperçu de la gravure plasma
Figure 2. Détermination du gaz source de plasma en fonction du type de film
Lorsqu'on utilise un tube creux, plus son diamètre est petit, plus le liquide y pénètre facilement : c'est le phénomène de capillarité. Cependant, si l'on perce un trou (extrémité fermée) dans la zone exposée, l'entrée du liquide devient beaucoup plus difficile. C'est pourquoi, la taille critique du circuit étant de 3 à 5 µm au milieu des années 1970, les tubes secsgravurea progressivement remplacé la gravure chimique comme méthode dominante. En effet, bien qu'ionisée, elle permet de pénétrer plus facilement dans des trous profonds car le volume d'une molécule unique est inférieur à celui d'une molécule en solution de polymère organique.
Lors de la gravure plasma, l'intérieur de la chambre de traitement doit être mis sous vide avant l'injection du gaz source plasma adapté à la couche à graver. Pour la gravure de films d'oxyde solide, il convient d'utiliser des gaz sources à base de fluorure de carbone, plus concentrés. Pour les films de silicium ou de métal relativement fragiles, on utilise des gaz sources plasma à base de chlore.
Alors, comment faut-il graver la couche de grille et la couche isolante sous-jacente de dioxyde de silicium (SiO2) ?
Premièrement, pour la couche de grille, le silicium doit être éliminé par un plasma à base de chlore (silicium + chlore) présentant une sélectivité de gravure du polysilicium. Pour la couche isolante inférieure, le film de dioxyde de silicium doit être gravé en deux étapes à l'aide d'un gaz source de plasma à base de fluorure de carbone (dioxyde de silicium + tétrafluorure de carbone) offrant une sélectivité et une efficacité de gravure supérieures.
3. Procédé de gravure ionique réactive (RIE ou gravure physico-chimique)
Figure 3. Avantages de la gravure ionique réactive (anisotropie et vitesse de gravure élevée)
Le plasma contient à la fois des radicaux libres isotropes et des cations anisotropes ; comment réalise-t-il alors une gravure anisotrope ?
La gravure sèche au plasma est principalement réalisée par gravure ionique réactive (RIE) ou par des applications dérivées. Le principe de la RIE repose sur l'affaiblissement des liaisons entre les molécules cibles du film par l'attaque de la zone de gravure par des cations anisotropes. La zone affaiblie est alors soumise à l'absorption de radicaux libres, qui se combinent aux particules constituant la couche, se transforment en gaz (un composé volatil) puis sont libérés.
Bien que les radicaux libres présentent des caractéristiques isotropes, les molécules constituant la surface inférieure (dont la force de liaison est affaiblie par l'attaque des cations) sont plus facilement capturées par les radicaux libres et converties en nouveaux composés que les parois latérales, caractérisées par une forte force de liaison. C'est pourquoi la gravure par le bas est devenue la méthode dominante. Les particules capturées se transforment en gaz contenant des radicaux libres, qui sont désorbés et libérés de la surface sous l'effet du vide.
Dans ce procédé, les cations obtenus par action physique et les radicaux libres obtenus par action chimique sont combinés pour une gravure physico-chimique. La vitesse de gravure (taux de gravure, degré de gravure par unité de temps) est ainsi multipliée par 10 par rapport à une gravure cationique ou radicalaire seule. Cette méthode permet non seulement d'accroître la vitesse de gravure anisotrope descendante, mais aussi de résoudre le problème des résidus de polymère après gravure. Cette méthode est appelée gravure ionique réactive (RIE). La clé du succès de la gravure RIE réside dans le choix d'un gaz source de plasma adapté à la gravure du film. Remarque : La gravure plasma est une forme de gravure RIE et les deux procédés sont synonymes.
4. Taux de gravure et indice de performance du noyau
Figure 4. Indice de performance de gravure du noyau en fonction de la vitesse de gravure
La vitesse de gravure désigne la profondeur de film qui devrait être atteinte en une minute. Que signifie alors la variation de la vitesse de gravure d'une zone à l'autre sur une même plaquette ?
Cela signifie que la profondeur de gravure varie d'une zone à l'autre de la plaquette. C'est pourquoi il est crucial de définir le point final (EOP) de la gravure en tenant compte de la vitesse et de la profondeur de gravure moyennes. Même avec un EOP défini, certaines zones peuvent présenter une profondeur de gravure supérieure (sur-gravée) ou inférieure (sous-gravée) à celle initialement prévue. Or, la sous-gravure est plus dommageable que la sur-gravure, car elle peut entraver les étapes ultérieures, comme l'implantation ionique.
Par ailleurs, la sélectivité (mesurée par la vitesse de gravure) est un indicateur de performance clé du procédé de gravure. La norme de mesure repose sur la comparaison de la vitesse de gravure de la couche de masque (film de photorésine, film d'oxyde, film de nitrure de silicium, etc.) et de la couche cible. Ainsi, plus la sélectivité est élevée, plus la gravure de la couche cible est rapide. Plus le niveau de miniaturisation est élevé, plus les exigences en matière de sélectivité sont importantes afin de garantir la reproduction parfaite des motifs fins. La gravure cationique, dont la direction est rectiligne, présente une faible sélectivité, tandis que la gravure radicalaire présente une sélectivité élevée, ce qui améliore la sélectivité de la gravure ionique réactive (RIE).
5. Procédé de gravure
Figure 5. Procédé de gravure
Tout d'abord, la plaquette est placée dans un four d'oxydation à une température maintenue entre 800 et 1000 °C. Un film de dioxyde de silicium (SiO₂) aux propriétés isolantes élevées est ensuite formé à sa surface par voie sèche. Puis, un procédé de dépôt est mis en œuvre pour former une couche de silicium ou une couche conductrice sur le film d'oxyde par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou dépôt physique en phase vapeur (PVD). Si une couche de silicium est formée, un processus de diffusion d'impuretés peut être réalisé afin d'améliorer la conductivité si nécessaire. Ce processus de diffusion consiste souvent à ajouter successivement plusieurs impuretés.
À ce stade, la couche isolante et la couche de polysilicium doivent être combinées pour la gravure. On utilise d'abord une résine photosensible. Ensuite, un masque est placé sur le film de résine et une exposition humide est réalisée par immersion afin d'imprimer le motif souhaité (invisible à l'œil nu) sur le film. Lorsque le contour du motif est révélé par développement, la résine de la zone photosensible est éliminée. La plaquette ainsi traitée par photolithographie est ensuite transférée à l'étape de gravure pour une gravure sèche.
La gravure sèche est principalement réalisée par gravure ionique réactive (RIE), où la gravure est répétée en remplaçant le gaz source par un gaz adapté à chaque film. La gravure sèche et la gravure chimique visent toutes deux à augmenter le rapport d'aspect (valeur A/R) de la gravure. Un nettoyage régulier est nécessaire pour éliminer le polymère accumulé au fond du trou (l'espace formé par la gravure). Il est crucial que toutes les variables (matériaux, gaz source, durée, forme et séquence) soient ajustées de manière optimale pour garantir la bonne circulation de la solution de nettoyage ou du gaz source plasma jusqu'au fond de la tranchée. Toute modification, même minime, d'une variable nécessite le recalcul des autres, et ce processus est répété jusqu'à l'obtention des résultats escomptés à chaque étape. Récemment, les couches monoatomiques, telles que les couches déposées par dépôt de couches atomiques (ALD), sont devenues plus fines et plus dures. Par conséquent, les techniques de gravure évoluent vers l'utilisation de basses températures et pressions. Le processus de gravure vise à contrôler la dimension critique (CD) afin de produire des motifs fins et d'éviter les problèmes liés à la gravure elle-même, notamment la sous-gravure et les problèmes d'élimination des résidus. Les deux articles ci-dessus sur la gravure visent à permettre aux lecteurs de comprendre l'objectif du processus de gravure, les obstacles à la réalisation des objectifs susmentionnés et les indicateurs de performance utilisés pour surmonter ces obstacles.
Date de publication : 10 septembre 2024