La gravure au plasma est peut-être le processus le plus critique dans la fabrication de semi-conducteurs, mais elle peut également être l'une des opérations les plus complexes de tous les processus de fabrication de plaquettes, juste derrière la lithographie. Près de la moitié des étapes de fabrication des plaquettes reposent sur le plasma, un gaz ionisé à haute énergie, pour accomplir leurs tâches.

Malgré le rétrécissement continu des transistors et des unités de stockage, les ingénieurs travaillent toujours à fournir des processus de gravure fiables.

Thomas Bondur, vice-président du marketing du groupe de produits Etch de Lam Research, a déclaré : « Afin de fabriquer de manière durable des puces avec une précision de l'ordre du nanomètre et des structures correctes, les fabricants d'équipements destinés aux usines de fabrication de semi-conducteurs doivent repousser les limites de la physique des plasmas, de l'ingénierie des matériaux, et la science des données pour fournir les solutions d'équipement requises. Cela est particulièrement évident dans la gravure au plasma, qui fonctionne de concert avec la lithographie pour créer des caractéristiques précises et reproductibles sur les plaquettes.

Ce rapport examine les étapes clés de la gravure dans la NAND 3D, la DRAM, le FET à nanofeuilles et les interconnexions, et envisage également les appareils 2D et le traitement back-end. L'industrie recherche également des produits chimiques de gravure plus durables pour réduire les émissions équivalentes de dioxyde de carbone provenant de leurs usines de fabrication de plaquettes.

Pour de nombreux fabricants d’outils, la modélisation des processus joue un rôle essentiel dans le développement des processus de gravure. L’objectif est de raccourcir les délais de mise sur le marché tout en réduisant les coûts des plaquettes et des masques.

Barrett Finch, directeur principal du marketing chez Lam Research, a déclaré : « L'optimisation du processus de gravure pour certaines des étapes les plus difficiles peut prendre un an ou plus. Nous avons récemment réalisé certaines simulations de processus en trois semaines, ce qui devait prendre trois mois en utilisant des tests et un développement typiques à base de silicium.

Rien qu’en termes de coûts des masques et des plaquettes, cela peut représenter des centaines de milliers, voire des millions de dollars pour les fabricants d’équipements.

Bases de la gravure

Les procédés de gravure et les techniques de lithographie fonctionnent conjointement dans la fabrication de semi-conducteurs. La gravure est généralement réalisée avant le dépôt de couches minces (par épitaxie, dépôt chimique ou physique en phase vapeur, etc.). Généralement, un film CVD est recouvert d'une résine photosensible, puis une lithographie optique (UV 248 ou 193 nm, EUV 13.5 nm) est utilisée pour exposer le motif à travers un photomasque. La résine est ensuite développée pour révéler le motif. Dans une chambre de gravure plasma mono-plaquette, des produits chimiques de gravure et un bombardement ionique sont généralement utilisés pour retirer le film CVD en utilisant le masque de résine photosensible comme guide (pour les résines à tons positifs). Après la gravure, la résine est incinérée, puis un nettoyage chimique humide et/ou une gravure humide permettent d'éliminer les résidus.

Les procédés de gravure plasma peuvent être classés en deux catégories : gravure diélectrique, gravure sur silicium et gravure sur conducteur. Les diélectriques tels que le dioxyde de silicium et le nitrure de silicium sont mieux gravés avec des gaz à base de fluor, tandis que les couches de silicium et de métal réagissent mieux avec du chlore. Il existe trois principaux modes de gravure sèche : la gravure ionique réactive, la gravure plasma et la gravure par pulvérisation cathodique (faisceau d'ions). Les procédés de gravure impliquent des interactions complexes entre les espèces réactives, le plasma et les matériaux de la puce. Lorsqu'une polarisation RF est appliquée au gaz réactif, des électrons et des ions chargés positivement éliminent physiquement (gravent) le matériau par bombardement, tandis que les espèces chimiques et les radicaux réagissent avec les matériaux exposés pour former des sous-produits volatils. La gravure peut être isotrope (vitesses de réaction verticale et latérale égales), anisotrope (verticale uniquement) ou une position intermédiaire.

Figure 1 : La transition du finFET vers le GAA entraîne le besoin critique d'une gravure sélective isotrope. Source : Recherche Lam.

Les paramètres clés qui préoccupent le plus les ingénieurs en gravure sont le taux de gravure, le contrôle du profil, l'uniformité (sur l'ensemble de la tranche) et la sélectivité de la gravure, car ces facteurs ont un impact sur le rendement et la productivité. La sélectivité de gravure fait référence au taux d'élimination du matériau gravé par rapport à sa couche sous-jacente, telle que SiO2 sur silicium. Il est également avantageux de ne pas éliminer l'excès de photorésist pendant le processus de gravure. Cependant, dans de tels cas, il est généralement transféré sur un masque dur (dioxyde de silicium, nitrure de silicium, SiOC, TiN) avant de transférer le motif sur le film sous-jacent.
Les spécifications sélectives vont de 2:1 à 1000:1 (gravure hautement sélective). À chaque nouveau nœud, ces spécifications deviennent plus strictes. Philippe Bézard, ingénieur R&D en gravure sèche chez imec, a déclaré : « Avec le remplacement des EUV conventionnels par des EUV à large ouverture numérique d'ici quatre ans, la concentration sera beaucoup plus faible, ce qui rend impossible l'exposition de résines photosensibles épaisses – quand je dis épaisses, j'entends 30 nanomètres. » « Mais il faut toujours appliquer le motif avec la même épaisseur de film en dessous. Il faut donc désormais une sélectivité plus élevée, car nous devons atteindre 10:1 au lieu de 2:1, ce qui représente une augmentation soudaine de la sélectivité de 4 à 5 fois. »

À suivre...