Gravure ionique réactive

La gravure ionique réactive - ou gravure par ions réactifs - fréquemment nommée par son acronyme anglophone, RIE (pour Reactive-Ion Etching), est une technique de gravure sèche des semi-conducteurs. C'est une technique identique, dans la mise en œuvre, à une gravure au plasma de type pulvérisation cathodique (sputtering). Cependant, dans cette technique, le plasma réagit, non seulement physiquement, mais également chimiquement avec la surface d'un wafer, ce qui en retire une partie ou certaines des substances qui y ont été déposées. Le plasma est généré sous basse pression (10^-2 à 10^-1 torr) par un ou plusieurs champs électriques ou alors magnétique. Les ions de haute énergie du plasma attaquent la surface du wafer et réagissent avec.

Une combinaison de deux gravures

La gravure ionique réactive est un hybride entre les deux grandes catégories de gravures :

• Les gravures dites «chimiques», où le phénomène de gravure se fait par réaction chimique entre le produit gravant et la surface gravée.
• Les gravures dites «physiques», type gravure au plasma (une des utilisations de la technique de pulvérisation cathodique ou sputtering), où la gravure est due à un bombardement de gaz ionisé (plasma) sur le matériau gravé.

Chaque type de gravure a ses avantages et ses inconvénients :

• l'inconvénient majeur de la gravure «chimique» est son isotropie : le substrat gravé l'est de façon uniforme dans l'ensemble des directions, donnant des profils de gravure semi-sphériques, et posant des problèmes lors de gravure à échelle plus réduite (< 45-50 nm).
• les inconvénients majeurs de la gravure «physique», hormis sa mise en œuvre plus lourde, sont d'une part les dommages qu'elle inflige au substrat, et d'autre part son taux de gravure bien plus bas.

La gravure ionique réactive, avant tout une gravure physique, mais à laquelle on rajoute un aspect chimique, cherche à cumuler les avantages des deux techniques. Si la mise en œuvre est comparable à la pulvérisation cathodique (génération de plasma froid dans un champ électrique sous basse pression), la gravure est - elle - à mi-chemin des deux : les espèces qui gravent sont sous forme ionisée (ion chlorure ou fluorure), mais vont réagir aussi chimiquement avec le substrat. On parle alors de gravure chimique sèche (CDE - Chemical Dry Etching).

Systèmes à plaques parallèles

Les dispositifs RIE les plus courants, dit à plaques parallèles, comportent une chambre à vide, de forme cylindrique et deux plaques métalliques parallèles, qui sont en fait des électrodes. L'électrode basse dans la partie basse de la chambre sert de support du wafer. Elle est isolée électriquement en composante DC du reste de la chambre. L'autre électrode, mais aussi les murs de la chambre sont le plus souvent reliés à la masse.

Les gaz réactifs entrent par de petites ouvertures dans la chambre, et sortent par un dispositif de pompe à vide. Le type et la quantité de gaz utilisés fluctuent selon la gravure, et en particulier selon le substrat :

• pour des substrats en silicium, les gaz réactifs employés sont des dérivés fluorés ou quelquefois chlorés, l'hexafluorure de soufre, (SF₆) ou le tétrafluorure de carbone (CF₄) étant les plus courants. Les dérivées fluorés ont l'avantage d'être généralement non toxiques - à faible dose - quoique présentant d'autres inconvénients (environnementaux surtout).
• pour des substrats d'arséniure de gallium, les dérivés fluorés sont presque inutiles, car le fluor ne réagit que particulièrement faiblement avec le gallium. Il faut, pour graver ce type de matériaux, utiliser presque seulement des dérivés chlorés. Les plus fréquemment utilisés sont le trichlorure de bore (BCl₃), le tétrachlorométhane (CCl₄), , le tétrachlorure de silicium (SiCl₄), le dichlore, et le Dichlorodifluorométhane (CCl₂F₂ - fréon 12).
  Contrairement aux dérivés fluorés, ces composés sont généralement toxiques (le BCl₃ fait partie des gaz les plus toxiques) et/ou particulièrement dangereux pour l'environnement (la fréon attaque la couche d'ozone, comme les autres CFC).

À ces gaz sont le plus souvent ajoutés des gaz plus ou moins inertes (hélium, argon, dioxygène), dans l'objectif de rendre le plasma plus ou moins réactif, et de perfectionner ainsi le taux de gravure (etch rate). Ce taux est particulièrement important pour rendre les gravures les plus rapides envisageables ; en effet la photorésine (ou directement le masque occasionnellemen) qui protège les parties du wafer qui ne doivent pas être gravées ne résiste qu'un temps à la gravure. Si celle-ci est trop longue, cette couche protectrice peut être attaquée, ou alors détruite, et les parties qu'elle est censée protéger être elles aussi gravées.

La pression des gaz est le plus souvent maintenue dans une gamme allant de quelques millitorrs jusqu'à une centaine de millitors, ceci en ajustant le flux de gaz entrant ou l'orifice de sortie.

Autres dispositifs

D'autres types de dispositif RIE existent :

• Certains dispositifs utilisent un montage de type triode : les processus de génération de plasma et de transport des espèces réactives sont scindés pour mieux contrôler la seconde étape. Concrètement, une seconde paire d'électrode, verticales (et par conséquent perpendiculaires aux deux autres) est ajoutée dans la chambre, créant un second champ électrique, horizontal ce dernier, et par conséquent perpendiculaire à l'autre. Ce champ, bien plus fort que le premier (dont la puissance a été diminuée), permet de la génération du plasma. Le champ électrique vertical sert alors à contrôler le transport des espèces réactives vers le substrat.

• Certains dispositifs incluent un dispositif de torche à plasma (Inductively Coupled Plasma). Ils sont nommés ICP-RIE. Dans ce type de dispositif, le plasma est généré par un puissant champ magnétique en Radio-fréquence (RF). Une forte densité de plasma peut ainsi être obtenue, mais cette technique tend à rendre la gravure plus isotrope.

Il est envisageable de combiner deux dispositifs (plaques parallèles et ICP). Dans ce genre de dispositif, l'ICP est utilisé comme source de haute densité en ions, ce qui augmente le taux de gravure (etch rate), tandis qu'une différence de potentiel en RF est appliquée au substrat (wafer), pour créer un champ électrique directionnel près du substrat, tendant à rendre la gravure plus anisotrope.

Fonctionnement

Génération de plasma

Le plasma est créé dans le dispositif en appliquant en créant un fort champ éclectique en radio-fréquence entre le plateau supportant le wafer et l'électrode supérieure. Ce champ est typiquement réglé à une fréquence de 13.56 Mhz, à une puissance d'une centaine de watts. Le champ électrique oscillant commence à ioniser les molécules de gaz en leur arrachant certains de leurs électrons, créant ainsi un ensemble de gaz ionisé contenant des cations et des électrons libres.

Les électrons libres, fortement accélérés par le champ électrique vont alors entrer en collisions avec d'autres particules :

• les cations libres, qui vont les réabsorber, et par la même émettre de la lumière (avec une longueur d'onde caractéristique de l'espèce chimique)  ;
• les molécules ou atomes (dans le cas de gaz rares) non ionisés, et qui par le choc vont les ioniser à leur tour, créant ainsi plus d'ions et d'électrons libres.

Ainsi, par un processus de réaction en chaine, les quelques ions et électrons libres générés directement par le champ électrique vont créer un plasma (plus ou moins) stable. Cette génération de plasma est , dépendamment cependant des conditions, presque instantanée (il s'agit ici en fait du même phénomène que la génération de lumière par des tubes «néon»).

Gravure par le plasma

Génération d'une différence de potentiel négative

Système à plaques parallèles

Les électrons sont accélérés de haut en bas (et vice versa) à chaque cycle du champ électrique, contrairement aux cations, bien plus lourds et donc nettement moins réactifs aux variations de champs.

Ces électrons vont tantôt entrer en collision avec l'une des électrodes ou l'une des parois de la chambre. Quand il s'agit d'une paroi ou de l'électrode supérieure, puisque celles-ci sont reliées à la masse, les électrons entrent simplement dans un circuit électrique. Par contre quand les électrons entrent en collision avec l'électrode inférieure, et le wafer, ceux-ci étant isolés électriquement en composante DC, les électrons sont piégés, et s'accumulent, créant un potentiel négatif au niveau de l'électrode inférieure. À basse pression (<50 mTorr) une zone « noire » peu être observée aux alentours de l'électrode inférieure chargée négativement. En effet cette zone est pauvre en ions, et donc il ne peut y avoir de recombinaison entre ion et électron libre, donc pas de génération de lumière.

Cette différence de potentiel est par conséquent auto-générée, et donc difficilement maitrisable.

Montage type «triode»

Contrairement au dispositif dit «à plaques parallèles», le montage en triode, qui comporte une paire supplémentaire d'électrodes, perpendiculaires aux deux autres génère de façon contrôlée cette différence de potentiel :

• la première paire d'électrodes, verticales qui générèrent champ électrique horizontal oscillant, génèrent le plasma horizontalement ;
• la seconde paire, horizontale, génère un champ électrique continu verticale, dirigé vers le bas.

Ainsi, les fonctions de génération du plasma et de contrôle de la trajectoire des particules sont scindées pour une meilleure maîtrise.

Système de torche à plasma

Gravure

Les cations, chargé positivement, sont attirés par ce potentiel négatif, et donc bombardent le wafer. Les cations peuvent réagir de différentes façons avec la surface du wafer.

• Ils peuvent tout simplement entrer en collision (bombardement) et attaquer ainsi la surface. C'est le principe de la gravure au plasma.
• Ils peuvent réagir chimiquement avec la surface. Cette réaction n'est cependant pas prédominante, les cations étant en déficit d'électrons, ils ne sont pas spécifiquement réactifs sur le matériau semi-conducteur.
• Ils peuvent capturer des électrons libres au voisinage de la surface, et devenir des radicaux. Ces radicaux vont ensuite réagir chimiquement avec la surface. C'est la réaction majoritaire.
  • s'il s'agit d'un substrat en silicium, les radicaux de fluorés vont se lier aux atomes de silicium, créant une molécule de tétrafluorure de silicium qui, de part la faible pression et l'augmentation de la température, va être désorbée.
• s'il s'agit d'un substrat en arséniure de gallium, les radicaux chlorés vont se lier aux atomes de gallium, créant une molécule d'hexafluorure de gallium (Ga₂Cl₆) qui va être désorbée. Sans gallium, l'arsenic ne peut plus «coller» à la structure d'arséniure de gallium, et est désorbé aussi.

Explication du caractère anisotrope de la gravure

Plusieurs explications ont été données pour expliquer l'anisotropie de la gravure par ions réactifs. Deux mécanismes sont généralement retenus :

• Les cations, même s'ils sont trop lourds pour se déplacer de façon efficace sous l'influence du champ électrique, vont, quand ils seront attirés par l'électrode inférieure chargée négativement, suivre peu ou proue les lignes du champ électrique. Celles-ci étant essentiellement verticales (entre les deux électrodes), les cations arrivent de façon perpendiculaire au wafer, et ne s'attaquent par conséquent pas aux parois, laissant celles-ci lisses et droites, mais pas nécessairement verticales^[1].

• Un second mécanisme suppose qu'une partie des matériaux arrachés au wafer, mêlés à certains composants du plasma vont se redéposer sur les parois, et agissent comme une couche protectrice contre la gravure.

Influence des gaz non réactifs

En plus des gaz réactifs, sont injectés des gaz plus ou moins inertes, en tout cas non réactifs. Ces gaz ont des rôles différents :

• le dioxygène sert généralement à rendre le plasma plus réactif, en générant plus d'ions et radicaux réactifs ; il peut aussi servir à provoquer la naissance d'une couche d'oxyde (silicium) à la surface du substrat ;
• le dihydrogène a le rôle précisément inverse, et «nettoie» la contamination du substrat par des polymères carbonés dans le cas d'un gaz réactif carboné (CF₄, CCl₄, fréon, ... )
• l'argon permet de rendre lui aussi le plasma moins réactif, en augmentant l'aspect physique de la gravure : occasionnellementde plasma particulièrement réactifs (surtout chlore sur de l'arséniure de gallium), la réaction devient trop chimique, et par la même isotrope.
• l'hélium sert quelquefois de stabilisateur dans le cas de plasma instables (fréon).

Notes et Références

Bibliographie

• Dry etching and sputtering, by C. D. W. Wilkinson and M. Rhaman, Department of Electronics and Electrical Engineering and Department of Physics andAstronomy, University of Glasgow, 2003
• Reactive Ion Etching Tool and Wafer Etching, by John Frensley, University of Texas at Dallas 2003

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