Les premières gravures humides ont favorisé le développement de procédés de nettoyage ou de calcination. Aujourd'hui, la gravure sèche au plasma est devenue la méthode courante.procédé de gravureLe plasma est composé d'électrons, de cations et de radicaux. L'énergie appliquée au plasma provoque l'extraction des électrons les plus externes du gaz source à l'état neutre, les transformant ainsi en cations.
De plus, les atomes imparfaits des molécules peuvent être éliminés par application d'énergie pour former des radicaux électriquement neutres. La gravure sèche utilise les cations et les radicaux qui composent le plasma, où les cations sont anisotropes (adaptés à la gravure dans une direction donnée) et les radicaux isotropes (adaptés à la gravure dans toutes les directions). Le nombre de radicaux est bien supérieur au nombre de cations. Dans ce cas, la gravure sèche doit être isotrope, comme la gravure humide.
Cependant, c'est la gravure anisotrope de la gravure sèche qui rend possible la miniaturisation des circuits. Quelle en est la raison ? De plus, la vitesse de gravure des cations et des radicaux est très lente. Face à cette lacune, comment appliquer les méthodes de gravure plasma à la production de masse ?
1. Rapport hauteur/largeur (A/R)
Figure 1. Le concept de rapport hauteur/largeur et l'impact du progrès technologique sur celui-ci
Le rapport hauteur/largeur est le rapport entre la largeur horizontale et la hauteur verticale (c'est-à-dire la hauteur divisée par la largeur). Plus la dimension critique (CD) du circuit est petite, plus le rapport hauteur/largeur est élevé. Autrement dit, en supposant un rapport hauteur/largeur 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 valeurs de rapport hauteur/largeur extrêmement élevées sont nécessaires pour garantir la pénétration des cations dans le film inférieur lors de la gravure.
Pour atteindre une technologie d'ultra-miniaturisation avec une dimension critique inférieure à 10 nm dans les produits 2D, le rapport hauteur/largeur du condensateur de la mémoire vive dynamique (DRAM) doit être maintenu au-dessus de 100. De même, la mémoire flash NAND 3D nécessite des rapports hauteur/largeur plus élevés pour empiler 256 couches ou plus de cellules. Même si les conditions requises pour d'autres procédés sont remplies, les produits requis ne peuvent être fabriqués siprocédé de gravuren'est pas conforme aux normes. C'est pourquoi la technologie de gravure prend une importance croissante.
2. Aperçu de la gravure au plasma
Figure 2. Détermination du gaz source du plasma en fonction du type de film
Lorsqu'un tube creux est utilisé, plus son diamètre est étroit, plus le liquide pénètre facilement, ce que l'on appelle le phénomène capillaire. Cependant, si un trou (extrémité fermée) est percé dans la zone exposée, l'entrée du liquide devient très difficile. Par conséquent, la taille critique du circuit étant de 3 à 5 µm au milieu des années 1970, il est nécessaire de le sécher.gravurea progressivement remplacé la gravure humide comme méthode courante. Autrement dit, bien qu'ionisée, elle pénètre plus facilement les trous profonds, car le volume d'une molécule 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 concernée. Pour la gravure de films d'oxyde solide, il est conseillé d'utiliser des gaz sources à base de fluorure de carbone plus puissants. Pour les films de silicium ou de métal relativement fragiles, il est conseillé d'utiliser des gaz sources à base de chlore.
Alors, comment la couche de grille et la couche isolante en dioxyde de silicium (SiO2) sous-jacente doivent-elles être gravées ?
Premièrement, pour la couche de grille, le silicium doit être retiré à l'aide d'un plasma à base de chlore (silicium + chlore) avec une sélectivité de gravure pour le 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 plasma à base de fluorure de carbone (dioxyde de silicium + tétrafluorure de carbone) avec 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 taux de gravure élevé)
Le plasma contient à la fois des radicaux libres isotropes et des cations anisotropes, alors comment réalise-t-il une gravure anisotrope ?
La gravure sèche au plasma est principalement réalisée par gravure ionique réactive (RIE) ou par des applications basées sur cette méthode. Le cœur de la méthode RIE consiste à affaiblir la force de liaison entre les molécules cibles du film en attaquant la zone de gravure avec des cations anisotropes. La zone affaiblie est absorbée par les radicaux libres, combinée aux particules qui composent la couche, convertie en gaz (un composé volatil) et libérée.
Bien que les radicaux libres présentent des caractéristiques isotropes, les molécules qui composent 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 à forte force de liaison. Par conséquent, la gravure vers le bas devient la méthode courante. Les particules capturées se transforment en gaz contenant des radicaux libres, qui sont désorbés et libérés de la surface sous l'action du vide.
À ce stade, les cations obtenus par action physique et les radicaux libres obtenus par action chimique sont combinés pour la gravure physique et chimique. La vitesse de gravure (taux de gravure, degré de gravure sur une période donnée) est ainsi décuplée par rapport à la gravure cationique ou radicalaire seule. Cette méthode permet non seulement d'augmenter la vitesse de gravure de la 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 la recherche d'une source de plasma adaptée à la gravure du film. Remarque : la gravure plasma est une gravure RIE, et les deux concepts peuvent être considérés comme identiques.
4. Taux de gravure et indice de performance du noyau
Figure 4. Indice de performance de gravure du noyau en fonction du taux de gravure
La vitesse de gravure désigne la profondeur de couche que l'on espère atteindre en une minute. Que signifie donc la variation de la vitesse de gravure d'une pièce à l'autre sur une même plaquette ?
Cela signifie que la profondeur de gravure varie d'une pièce à l'autre sur le wafer. Il est donc essentiel de définir le point final (EOP) où la gravure doit s'arrêter en tenant compte de la vitesse et de la profondeur de gravure moyennes. Même avec l'EOP défini, il existe des zones où la profondeur de gravure est plus importante (surgravure) ou moins importante (sous-gravure) que prévu initialement. Cependant, une sous-gravure cause plus de dommages qu'une surgravure lors de la gravure. En effet, en cas de sous-gravure, la partie sous-gravée gênera les processus ultérieurs, comme l'implantation ionique.
La sélectivité (mesurée par la vitesse de gravure) est un indicateur clé de performance du processus de gravure. La norme de mesure repose sur la comparaison de la vitesse de gravure de la couche de masque (film de résine photosensible, film d'oxyde, film de nitrure de silicium, etc.) et de la couche cible. Cela signifie que plus la sélectivité est élevée, plus la couche cible est gravée rapidement. Plus le niveau de miniaturisation est élevé, plus l'exigence de sélectivité est élevée pour garantir la présentation parfaite des motifs fins. La direction de gravure étant rectiligne, la sélectivité de la gravure cationique est faible, tandis que celle de la gravure radicalaire est élevée, ce qui améliore la sélectivité de la gravure RIE.
5. Procédé de gravure
Figure 5. Processus de gravure
Tout d'abord, la plaquette est placée dans un four d'oxydation à une température comprise entre 800 et 1 000 °C, puis un film de dioxyde de silicium (SiO2) aux propriétés isolantes élevées est formé à sa surface par voie sèche. Ensuite, le processus de dépôt est lancé 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 des impuretés peut être mis en œuvre pour augmenter la conductivité si nécessaire. Lors de ce processus, de multiples impuretés sont souvent ajoutées à plusieurs reprises.
À ce stade, la couche isolante et la couche de polysilicium doivent être combinées pour la gravure. Une résine photosensible est d'abord utilisée. Un masque est ensuite placé sur le film de résine photosensible et une exposition humide par immersion est réalisée pour imprimer le motif souhaité (invisible à l'œil nu) sur le film. Une fois le contour du motif révélé par le développement, la résine photosensible de la zone photosensible est retirée. La plaquette traitée par photolithographie est ensuite transférée vers le processus de gravure pour une gravure sèche.
La gravure sèche est principalement réalisée par gravure ionique réactive (RIE), où la gravure est répétée principalement en remplaçant le gaz source adapté à chaque couche. La gravure sèche et la gravure humide visent toutes deux à augmenter le rapport hauteur/largeur (valeur A/R) de la gravure. De plus, un nettoyage régulier est nécessaire pour éliminer le polymère accumulé au fond du trou (l'espace formé par la gravure). Il est important que toutes les variables (telles que les matériaux, le gaz source, le temps, la forme et la séquence) soient ajustées organiquement afin de garantir que la solution de nettoyage ou le gaz source plasma puisse s'écouler jusqu'au fond de la tranchée. La moindre variation d'une variable nécessite le recalcul des autres variables, et ce processus est répété jusqu'à ce que l'objectif de chaque étape soit atteint. Récemment, les couches monoatomiques, telles que les couches obtenues par dépôt de couches atomiques (ALD), sont devenues plus fines et plus dures. Par conséquent, la technologie de gravure évolue vers l'utilisation de basses températures et pressions. Le procédé de gravure vise à contrôler la dimension critique (CD) afin de produire des motifs fins et d'éviter les problèmes liés à la gravure, notamment la sous-gravure et l'élimination des résidus. Les deux articles ci-dessus sur la gravure visent à expliquer aux lecteurs l'objectif de la gravure, les obstacles à l'atteinte de ces objectifs et les indicateurs de performance utilisés pour les surmonter.
Date de publication : 10 septembre 2024