Brevet FR2504155A1 — publié le 19821022

La présente invention concerne, en général, la fabrication de semi- conducteurs et plus particulièrement, une technique utilisant un plasma pour une attaque, notamment une attaque de gravure sélective, de silicium polycristallin. La fabrication de dispositifs à semi-conducteurs et de circuits à films minces apparentés implique habituelle- ment la gravure, et notamment la gravure d'attaque, de cou- ches spécifiques devant constituer le dispositif Typiquement, la zone à attaquer est masquée par une matière telle qu'une matière de photoréserve (ou matière photorésistante), le masque formant un ensemble de lignes et de zones laissant la couche à graver exposée à nu pour l'attaque Dans des ap- proches antérieures, l'attaque de gravure a été effectuée par un procédé chimique par voie humide au cours duquel la matière destinée à réaliser l'attaque, typiquement constituée par des acides minéraux oxydants, venait au contact de la surface exposée. Plus récemment, des procédés appliquent des plas- mas de gaz, notamment des gaz à base de fluor choisis dans la série des halogénocarbures saturés, ce qui élimine cer- tains des effets inopportuns de la chimie par voie humide. Cependant, dans les deux procédés, l'attaque est fondamenta- lement isotrope, ce qui signifie que l'attaque s'effectue au hasard et se poursuit à une vitesse uniforme dans toutes les directions Lorsque la surface à attaquer est enlevée, l'action d'attaque se produit non seulement verticalement dans la surface, mais aussi horizontalement contre le bord de l'évidement créé par cette attaque Ainsi, la zone à at- taquer subit un processus selon lequel la matière à traiter est attaquée non seulement verticalement dans le prolonge- ment du bord de l'ouverture pratiquée dans le masque photo- résistant, mais subit également une attaque qui se poursuit sous le masque photorésistant Typiquement, l'étendue hori- zontale de cette morçure par en dessous présente sensiblement le même degré d'amplitude que l'attaque verticale. Comme la tendance vers une miniaturisation se poursuit, le passage à de toutes petites échelles intéressant des régions dont les dimensions sont de l'ordre du micron ou même 'inférieures au micron devient une réalité Cela impo- se de strictes exigences concernant les profils d'attaque de gravure, de manière caractéristique à propos des profils verticaux d'attaqueet demande que la morçure par-en dessous devienne insignifiante Ce mode d'attaque à l'aide d'un plasma, couramment appelé attaque anisotrope, résulte d'ef- fets directionnels qui suppriment l'attaque isotrope Dans le cas idéal, cela assure l'existence d'une paroi verticale d'attaque située dans un plan se rapprochant étroitement de celui délimité par le bord du masque avant l'opération d'attaque. Avec le perfectionnement des techniques de litho- graphie, il devient possible d'obtenir dans des images d'une matière photorésistante des ensembles ou réseaux de lignes dont les dimensions sont de l'ordre du micron ou même d'un ordre inférieur Pour transférer efficacement ces images sur les divers substrats, il est nécessaire de disposer d'une technique fiable et reproductible d'attaque anisotrope. Dans le passé, pour compenser l'effet de morçure par en dessous de l'attaque isotrope, la largeur de la ligne ou courbe réalisée dans le masque a été plus étroite que la lar- geur de la ligne voulue dans la couche à attaquer, car l'on prévoyait un élargissement de la ligne par suite d'une mor- çure par en dessous On demande maintenant de réaliser des largeurs de lignes et des espaces de bien plus petites di- mensions, de sorte que l'absence de réglage et de reproducti- bilité, provenant du processus de morçure par en dessous, a rendu une attaque isotrope inacceptable. D'autres techniques antérieures ont utilisé une attaque effectuée à très basse pression (moins de 50 millitorrs environ, c'est-à-dire moins de 50 microns de Hg, soit moins de 50 microbars) par bombardement physique de la partie non masquée du substrat (ou matière à traiter) par des ions d'un gaz projeté Dans cette attaque physique par des ions, on assiste à un phénomène de bombardement plutôt qu'à une réaction chimique Lorsque la pression s'accroit, notamment au-delà de cette valeur de 50 microbars, le trajet libre moyen des ions diminue, de sorte que le taux de bombardement par les ions diminue lui aussi par suite d'une désactivation, due à des collisions, avant l'impact des ions avec le substrat à traiter. D'autres techniques antérieures ont réalisé une attaque à basse pression à l'aide d'ions réactifs Cependant, si une telle technique peut produire avec une certaine sélec- tivité des structures résultant d'une attaque anisotrope, il existe des incertitudes considérables concernant les dégâts qu'un flux d'ions incidents hautement énergétique peut engen- drer. Un autre problème associé aux circuits intégrés à très grande échelle, ou à très grande densité d'intégration, sur du silicium, est l'intérêt d'une sélectivité raisonnable- ment élevée de la vitesse d'attaque du silicium polycristallin par rapport à la vitesse d'attaque de l'oxyde de silicium sous-jacent, afin d'assurer pendant l'attaque un réglage suf- fisant permettant de préserver des sous-couches diélectriques en oxyde de silicium mince et ultramince dans des dispositifs à effet de champ. La présente invention vise donc à proposer une techni- que d'attaque à l'aide d'un plasma, destinée à servir à la fa- brication des semi-conducteurs et selon laquelle une attaque de gravure hautement efficace du silicium polycristallin se produit, avec un degré élevé de sélectivité par rapport à l'attaque de l'oxyde de silicium, et dans laquelle une atta- que fortement anisotrope se produit de manière à réaliser des profils sensiblement verticaux dans les dessins gravés dans la couche de silicium polycristallin, le processus d'en- lèvement de matière résultant principalement d'interactions chimiques, la technique ne provoquant pas les dégâts dus aux effets adverses d'un rayonnement. En gros, dans la présente invention, le plasma gazeux consiste essentiellement en du "Fréon l I" (CFC 13), déchargé à haute fréquence et utilisé à des pressions modérées à basses, typiquement de l'ordre de 100 microns de F Ig, soit environ 100 microbars, pour une attaque anisotrope, hautement efficace et uniforme, du silicium polycristallin Le procédé permet une attaque hautement sélective-du silicium polycris- tallin par rapport à l'oxyde de silicium et donne des profils gravés sensiblement verticaux pour des éléments de gravure dont les dimensions vont d'une valeur inférieure au microns jusqu'à quelques microns (typiquement 1 à 4 microns pour les lignes gravées ou laissées entre les zones gravées). Dans une forme de réalisation, l'addition d'hélium gazeux au "Fréon ll" pour former un mélange gazeux binaire avant la décharge, a durant l'attaque de gravure un effet bénéfique sur le masque photorésistant, en raison du pouvoir élevé de transmission de chaleur par ce mélange binaire et de sa capa- cité à empêcher la formation de points chauds Il en résulte qu'au cours de l'attaque de gravure du silicium polycristallin, la dégradation du masque photorésistant est insignifiante, et que le procédé n'influe pas nettement sur la vitesse moyenne d'attaque du silicium polycristallin lui- même, c'est-à-dire que ce procédé ne réduit pas cette vitesse d'attaque du sili- cium polycristallin La présente technique d'attaque peut servir au traitement, par lots discontinus ou dans la chaîne de fabrication, de dispositifs à semi-conducteurs et elle convient également pour l'attaque de siliciures de métaux recouvrant du silicium polycristallin Les siliciures de titane, de tantale, de molybdène et de tungstène sont de bons candidats pour un tel procédé. Un exemple nullement limitatif de l'invention va à présent être décrit plus en détail en regard de la figure unique annexée qui montre, sous forme schématique, un appa- reil convenant pour la mise en oeuvre du procédé de l'inven- t ion. Dans cet appareil, une chambre 22 de réaction a une forme générale cylindrique Elle est typiquement réalisée en quartz ou en un autre type de verre convenable et est reliée de manière étanche par une bague torique 28 à une pla- que de base 29,qui sera habituellement aussi en quartz Le sommet de la chambre 22 comporte un dispositif coaxial 24 de projection en dispersion d'un gaz ou d'un mélange gazeux, ce qui permet l'entrée de ce gaz ou de ce mélange gazeux dans la chambre 22 Une tige 26 de support porte une électrode 25 ayant la forme générale d'un disque et dont la température est réglée par un dispositif de refroidissement par de l'eau. Un guide 43 de l'électrode et un accouplement ou embrayage 44 à friction permettent d'ajuster la position de l'électrode 25 par rapport au sommet de la chambre 22 L'aluminium constitue une matière convenant pour la réalisation de cette électrode La matière semi-conductrice 30 à traiter est placée sur une table 27, refroidie par de l'eau circulant dans une tubu- lure 37 et dont la température est surveillée et réglée à l'aide, par exemple, d'un thermocouple T Une ouverture 32 ménagée dans la plaque de base 29 permet de relier, à l'aide d'un tube 33 commandé par une soupape de réglage automatique (non représentée),une pompe à vide PV avec l'intérieur de la chambre 22 de réaction Le gaz de remplissage parvient dans la chambre 22 par l'intermédiaire de deux vannes 40 et 41. La vanne 40 commande l'arrivée, régulée par un appareil 34 de commande de l'écoulement massique, du gaz d'attaque prove- nant d'un réservoir ou d'une source 36 L'arrivée d'un gaz porteur provenant d'une source ou d'un réservoir 38 est ré- gulée par un second appareil 35 de commande de l'écoulement massique et par la vanne 41 La pression régnant dans la chambre 22 est mesurée par n'importe quelle jauge classique de pression, comme un manomètre capacitif 46 Un générateur (non représenté) émet de l'énergie à haute fréquence RF qui emprunte un circuit de liaison 54 pour parvenir à l'élec- trode 25 Le générateur à haute fréquence émettra typique- ment une quantité d'énergie variable,et sa fréquence sera par exemple de 13 m Hz Des dimensions convenables-sont un diamètre de disque d'électrode de 11,43 cm et un intervalle de 3,17 cm entre le disque 25 et le substrat semi-conducteur 30 à traiter. Pour la mise en oeuvre de cet appareil, on place sur la table 27 refroidie, qui peut être maintenue au poten- tiel de la masse, les substrats à graver par attaque et qui comportent typiquement une mince couche d'oxyde de sili- cium surmontée d'une couche de silicium polycristallin. La couche de silicium polycristallin est couramment dopée par du phosphore jusqu'à une résistance pelliculaire se si- tuant entre 10 et 20 ohms par carré La sous-couche d'oxyde de silicium fait habituellement l'objet de processus thermi- ques de croissance et de densification On place sur le si- licium polycristallin un modèle de circuit ou de réseau constitué par un masque de matière photorésistante "Shipley 1350 J" et l'on effectue une légère cuisson On fait le vide dans la chambre 22 de réaction jusqu'à atteindre une pression de base correspondant à environ 5 à 15 microns de Hg ( 5 à microbars) et l'on introduit alors l'agent d'attaque, avec ou sans hélium gazeux Lorsque l'on a obtenu la pression ap- propriée du gaz d'attaque, on amorce la décharge à haute fréquence qui provoque le début de la réaction d'attaque, qu'on laisse se poursuivre jusqu'à achèvement On détermine visuellement le point d'achèvement ou de fin d'attaque en observant la disparition des franges d'interférence associées à la couche de silicium polycristallin Lorsque le point fi- nal est atteint, on arrête l'arrivée de l'énergie à haute fréquence et le débit gazeux, et on laisse la pompe à vide effectuer une aspiration de retour à la pression de base. On remplit alors la chambre de réaction avec de l'argon et l'on retire l'échantillon. Après le retrait de l'échantillon, on enlève le masque photorésistant et l'on examine à nouveau le dessin du dispositif pour déterminer le degré de réglage des dimen- sions obtenu au cours de l'attaque, en fonction de la mesure de la largeur des lignes et des espaces effectuée avant l'attaque Ces mesures comparatives permettent d'obtenir des données concernant la résolution de l'attaque pouvant être réalisée par application du procédé de l'invention. Dans d'autres expériences, on a examiné après l'attaque, mais avant enlèvement du masque photorésistant, les profils d'attaque en clivant l'échantillon et en l'examinant à l'ai- de d'un microscope électronique à balayage. TABLEAU Gaz Pression Densité d'énergie à 2 Vitesse d'attaque du silicium Vitesse | Sélec- (micro haute fréquence (W/cm) polycristallin (nm/min) d'attaquq tivité bars) de Si O 2 ( nm/rnin) "Fréon 13 " 50 0,24 0,98 1,47 1,96 30 90 190 220 27,5 8 (CF 3 C 1) 100 0,24 0,98 1,47 1,96 70 200 360 430 66,0 6,5 0,24 0,98 1,47 1,96 110 400 620 680 144,5 4,7 "Fréon 12 " 50 0,24 0,98 1,47 1,96 50 160 310 420 24,7 17 (CF 2 C 12) 100 0,24 0,98 1,47 1,96 110 330 470 570 45,5 12,5 0,24 0,98 1,47 1,96 170 530 680 760 75,5 9,8 "Fréon 11 " 50 0,24 0,98 1,47 1,96 80 250 480 57 C 17,8 32 (CFC 13) 100 0,24 0,98 1,47 1,96 170 520 500 670 25,7 26 0,24 0,98 1,47 1,96 220 640 740 840 40,0 21 D)iamètre de l'électrode à haute fréquence: 11,43 cm Distance entre l'électrode et la table porte-pastilles: 3,17 cm *La sélectivité est définie comme étant le rapport moyen entre la vitesse d'attaque du silicium polycristallin et la vitesse d'attaque de Si O 2. Les colonnes de vitesse d'attaque correspondent, en position, aux colonnes de densité d'énergie de sorte que, par exemple, la première colonne correspond pour les vitesses d'attaque à la première colonne indiquant la densité Ln d' énerg ie 2 2 4 On voit que la densité d'énergie se situe entre 0,2 et 2 watts par cm de surface de la matière à traiter par attaque de gravure uli Le tableau montre les résultats obtenus lors d'une attaque effectuée à l'aide de plasma de "Fréon 11 ", de "Fréon 12 " et de "Fréon 13 " Comme illustré, la vitesse d'at- taque du silicium polycristallin,ainsi que la sélectivité de l'attaque de ce silicium polycristallin par rapport à l'attaque de l'oxyde de silicium, augmentent très fortement lorsqu'on utilise du "Fréon 1 l" On a observé en outre sur des pastilles de 7,62 cm de diamètre que l'uniformité de la vitesse d'attaque se situe de façon correspondante dans une 1 o fourchette de 3 à 5 o%. Avec du "Fréon 11 ", on a observé d'un côté, en uti- lisant des micrographies et un microscope électronique à balayage, des valeurs de la morçure par en dessous de l'ordre de 0,05 à 0,1 micron. Lorsque l'on a utilisé les agents d'attaque avec de l'hélium gazeux dans la gamme des pressions partielles de à 500 microns de Hg ( 150 à 500 microbars), il s'est avéré que l'on a eu une faible diminution seulement de la vitesse moyenne d'attaque, de l'ordre d'environ 7 à 15 a, en compa- raison des valeurs obtenues sans utilisation d'hélium Dans ce cas également, la plus faible chute de vitesse d'attaque a été observée dans le cas de l'utilisation du "Fréon 11 ". Lorsque l'on a ajouté de l'hélium comme gaz porteur, on a amélioré l'intégrité finale du masque photorésistant et il n'y a pratiquement pas eu d'influence sur l'anisotropie de l'attaque Cependant, on a obtenu des profils d'attaque es- sentiellement anisotropes avec chacun des trois agents d'at- taque. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'un appareil particulier, il va de soi que l'on peut utiliser de façon satisfaisante divers réacteurs, dont certains sont disponibles dans le commerce Il est également possible d'uti- liser la chambre de réaction représentée sur la figure unique ainsi que les environnements de plasma décrits et d'effectuer les modifications électriques correspondantes pour appliquer des modes différents d'attaque, ce qui comprend une attaque par des ions réactifs appliqués selon des concepts de type plus physique, une attaque par de la matière réactive pulvéri- sée, ou une attaque par un ou des faisceaux d'ions réactifs. Par exemple, le circuit 54 de liaison avec le générateur à haute fréquence peut être relié à la table 27 porte-substrat, cependant que l'électrode 25 peut être reliée à la masse. Parmi les appareillages disponibles dans le commerce pour la mise en oeuvre du présent exposé, on peut citer des versions du système ou appareillage 8001 vendu par LFE Corporation (Waltham, Massachusetts, Etats-Unis d'Amérique) destinées à l'attaque de l'aluminium et des alliages d'alu- minium par un plasma Cet appareillage comporte une série de cinq réacteurs dont chacun est semblable à la chambre de réaction décrite ci- dessus D'autres systèmes ou appareils disponibles dans le commerce comprennent les appareils "PFS/PDE/PDS" "R Ol P" et " 1002 P" vendus par LFE Corporation pour l'attaque de silicium polycristallin et d'autres pel- licules contenant du silicium par un plasma Ces appareils comportent au moins une électrode à configuration interne plane pour l'attaque simultanée de plusieurs substrats. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'in- vention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé d'attaque sélective de silicium polycristallin, décrit et représenté. REVENDICATIONS 1 Procédé d'attaque sélective de silicium poly- cristallin, selon lequel on place une matière comportant du silicium polycristallin au sein d'une chambre de réac- tion et l'on expose, au sein de cette chambre, le silicium polycristallin à l'action d'un plasma de gaz à une pression comprise entre 50 et 150 microbars pour réaliser l'attaque de gravure de cette matière, procédé caractérisé en ce que le plasma de gaz consiste essentiellement en du CFC 13 sou- mis à l'effet d'une décharge à haute fréquence. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière comportant du silicium polycristallin est une couche de silicium polycristallin sur de l'oxyde de silicium. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité d'énergie fournie au plasma de gaz se situe entre 0,2 et 2 watts par cm 2 de-surface de la ma- tière à traiter par attaque de gravure. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute de l'hélium comme gaz porteur du gaz d'attaque. Procédé pour effectuer une attaque préféren- tielle d'une couche de silicium polycristallin en vue de fabriquer un dispositif semi-conducteur comportant une cou- che de silicium polycristallin et une couche d'oxyde de si- licium, procédé caractérisé en ce que, pour effectuer l'at- taque préférentielle de la couche de silicium polycristal- lin, on place le dispositif semi-conducteur dans une cham- bre de réaction et l'on expose ce dispositif semi-conduc- teur, au sein de ladite chambre de réaction, à l'action d'un gaz d'attaque consistant essentiellement en CFC 13 à une pression comprise entre 50 et 150 microbars. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les lignes du dessin à obtenir sur la couche de silicium polycristallin ont des largeurs de moins de 4 mi- crons et en ce que la densité d'énergie fournie au plasma se situe entre 0,2 et 2 watts par cm