Brevet FR2516339A1 — publié le 19830513

L'invention concerne d'une manière générale des dispositifs de déposition de plasma à radiofréquence, et plus particulièrement un perfectionnement apporté à des dispositifs de déposition en phase vapeur assistée par plasma, destinés à déposer des pellicules conductrices dans des réacteurs à plasma à radiofréquence. Dans le passé, des réacteurs à plasma à radio- fréquence ont été largement utilisés dans diverses étapes de traitement entrant dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs telles que l'élimination de réserves photochimiques, la gravure de composés de silicium et plus récemment la déposition et la croissance des pelli- cules conductrices et diélectriques La technologie du plasma (déposition chimique en phase vapeur assitée par plasma) a pour avantages d'être propre, uniforme, aisément régulée et bien adaptée à l'automatisation En particulier, d'importantes recherches ont porté sur le développement de réacteurs à plasma à radiofréquence de qualité convenant à la production, pour la déposition de pellicules conduc- trices telles que des couches de polysilicium dopé, des couches conductrices et des couches épitaxiales. A l'origine, des réacteurs à plasma à radiofré- quence utilisés pour déposer des couches pendant la fabri- cation de dispositifs semi-conducteurs, ces réacteurs étant appelés "réacteurs à décharge d'effluves", étaient constitués d'une chambre à réaction en quartz, vide d'air, à l'intérieur de laquelle était placé un porte-substrat semi-conducteur chauffé par rayonnement, et une source d'énergie à radiofréquence à bobine à deux spires entou- rant le réacteur, immédiatement au-dessus du porte- substrat Les gaz réactionnels, dont les éléments déter- minent le type de couche déposée, étaient habituellement mélangés avant d'être introduits dans le fond de la chambre. Le processus de déposition consistait à placer les pièces sur le porte-substrat, à faire le vide dans la chambre de réaction et à déclencher le champ de plasma (un gaz partiellement ionisé induit par un champ électri- que puissant et comprenant des espèces neutres, des ions et des électrons) au-dessus du substrat, par introduction du gaz réactionnel dans le champ à radiofréquence à l'in- térieur de la chambre de réaction De cette manière, le corps réactionnel est ionisé, ou des composés peuvent être produits par l'introduction d'autres corps réaction- nels, déposant les ions, composés ou molécules neutres souhaités sur la surface apparente de la tranche On règle l'épaisseur de la couche en faisant varier indépen- damment les unes des autres la température, la pression, la concentration de corps réactionnels et la force du champ à radiofréquence. Un problème important posé par les premiers réac- teurs à plasma à radiofréquence était le nombre très limité de pièces pouvant être traitées à la fois Finale- ment, la capacité des réacteurs à plasma à radiofréquence est devenue égale ou supérieure à celle des dispositifs de déposition thermique L'intérieur des tubes du réacteur comprenait plusieurs plaques conductrices, isolées élec- triquement les unes des autres par des entretoises en quartz (ou en matières non conductrices similaires) De l'énergie radiofréquence était appliquée à des conducteurs alternés pour produire un champ de plasma dans l'espace compris entre des conducteurs adjacents Des alvéoles se trouvaient sur le côté de chaque conducteur pour permet- tre la mise en place des tranches semi-conductrices. Dans des appareils de plus grande dimension, plus de 90 tranches pouvaient être traitées à l'intérieur d'un seul tube de réacteur Un exemple d'un tel appareil est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 223 048. Les réacteurs à plasma à radiofréquence de plus grande dimension, convenant à la production industrielle, fonctionnent sur le même principe que les appareils de déposition chimique en phase vapeur, assistée par plasma, de type plus ancien Cependant, il est souvent in Xossible de faire fonctionner les réacteurs au-delà d'une période de temps très courte pendant laquelle seule une faible déposition peut être réalisée sur les tranches semi- conductrices Ce problème devient particulièrement prépon- dérant lorsque des réacteurs à plasma à radiofréquence sont utilisés pour la déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma de couches conductrices, et il résulte largement de la déposition thermique de la matière conduc- trice sur les éléments d'entretoisement Si les réacteurs à radiofréquence fonctionnent pendant des périodes de temps relativement plus longues,-la couche déposée s'accumule sur les entretoises isolantes, entre les plaques conduc- trices adjacentes Par conséquent, et notamment lors de la déposition de couches conductrices, des plaques conductri- ces adjacentes peuvent être mises en court-circuit par la couche conductrice accumulée sur les entretoises Ceci provoque une rupture du champ de plasma et l'arrêt du processus de déposition Même dans le cas o une seule opération de déposition peut être achevée sans défaillance, le démontage de l'appareil pour nettoyage élève les coûts et limite la production. Le problème posé par les temps de travail réduits et la formation de courts-circuits entre les plaques conduc- trices a empêché les réacteurs à plasma à radiofréquence les plus perfectionnés d'être utilisés dans des appareils de déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma, à des cadences de production efficace. Il est devenu nécessaire de disposer de moyens conçus pour isoler et empêcher la formation de courts-circuits entre les plaques conductrices adjacentes dans des réacteurs à plasma à radiofréquence, de manière que la déposition chimique en phase vapeur, assistée par plasma, de couches conductrices ou autres sur des tranches semi-conductrices puisse être effectuée à une cadence et sur des lots de production, et afin que plusieurs passes puissent être réalisées sans qu'il soit nécessaire de démonter et de nettoyer l'appareil. L'invention a pour objet un dispositif perfectionné d'entretoisement destiné à séparer les plaques conductrices utilisées dans des réacteurs à plasma à radio- fréquence et à empêcher la formation de courts-circuits entre ces plaques Le dispositif perfectionné d'entretoise- ment selon l'invention constitue un moyen compatible de remplacement des types actuels d'éléments destinés à sépa- rer les plaques conductrices dans des réacteurs à plasma à radiofréquence L'invention a également pour objet de permettre au-réacteur-à plasma à radiofréquence utilisant le dispositif perfectionné d'entretoisement de fonctionner pendant de plus longues périodes afin que des couches conductrices de plus grande épaisseur et/ou un plus grand nombre de passes de déposition puissent être réalisées à des niveaux de production pratiques. Les objets indiqués ci-dessus ainsi que d'autres objets sont atteints dans un réacteur à plasma à radio- fréquence pour la déposition de couches conductrices par déposition chimique en phase vapeur, assistée par plasma, ce réacteur comprenant un dispositif d'entretoisement isolant destiné à séparer les unes des autres des plaques conductrices adjacentes placées à l'intérieur du réacteur à plasma à radiofréquence, les plaques conductrices produi- sant un champ de plasma à radiofréquence, et le dispositif d'entretoisement isolant présentant des gorges empêchant le dépôt de couches conductrices sur toute la surface de ce dispositif isolant On prévient la déposition de la couche conductrice sur le dispositif de séparation en empêchant dans une large mesure le champ de plasma d'at- teindre la zone proche des gorges Par conséquent, il ne se forme pas de trajet électrique direct entre des plaques conductrices adjacentes et le processus de déposition peut se poursuivre pendant de plus longues périodes de production. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel: la figure 1 est une élévation de l'entretoise selon l'invention placée entre deux parties de plaques conductrices qui sont représentées en coupe et disposées dans un réacteur à plasma à radiofréquence; la figure 2 est une élévation analogue à celle de la figure 1, d'une variante de l'entretoise selon l'in- vention présentant une gorge radiale supplémentaire en son milieu, avec un élément de séparation; et la figure 3 est une vue en bout de l'entretoise de la figure 1. Le dispositif d'entretoisement isolant selon l'invention est indiqué globalement en 1 sur la figure 1. Un alésage facultatif 2 permet le passage d'un axe d'ali- gnement et permet à l'entretoise 1 d'être positionnée entre deux plaques conductrices 10 Lorsqu'un grand nombre de paires de plaques conductrices 10 est utilisé, l'axe peut positionner toutes les plaques et les entretoises intermédiaires 4 Les plaques conductrices 10 sont connec- tées à un générateur radiofréquence (non représenté) et produisent un champ de plasma à radiofréquence dans la zone 5 Des gorges radiales 7, situées aux deux extrémités de l'entretoise 1, forment des parties de circonférence réduite 8 Les gorges 7 empêchent la formation d'un champ de plasma dans la zone proche des parties de circonférence réduite 8, dans la matière non conductrice 4 Par consé- quent, lorsqu'une couche conductrice est en cours de dépo- sition sur les pièces, la déposition de la couche est empêchée sur la zone de surface proche de la gorge radiale 7 de la matière non conductrice 4 De cette manière, un trajet électrique conducteur direct ne se forme qu'à une vitesse très réduite, par rapport aux entretoises anté- rieures, sur la surface de la matière non conductrice 4, entre les plaques conductrices 10 Le trajet électrique longitudinal sur la surface de la matière isolante 4 du dispositif 1 d'entretoisement est largement sans rapport avec l'inhibition de la formation de courts-circuits, attendu que la matière déposée extérieure est suffisamment conductrice, aux températures de déposition, pour provo- quer un court-circuit effectif Par contre, on pense que la largeur W des gorges 7 est analogue à l'écartement minimal demandé pour déclencher le plasma, l'espace dit d'obscurité, déterminé par la longueur du trajet d'ionisa- tion des espèces gazeuses La dimension W est de préférence de l'ordre de 0,5 mm Il est possible d'utiliser d'autres moyens que des gorges radiales, par exemple une gorge héli- coldale s'étendant le long de l'entretoise. Quand bien même la déposition induite par plasma est largement empêchée par les gorges 7, une déposition thermique de matière conductrice dans les gorges 7 peut encore conduire à une défaillance du dispositif isolant 1. Ainsi, le procédé de déposition doit être choisi pour mini- miser la décomposition thermique, comme décrit plus en détail dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 320 451, déposée le 12 novembre 1981 sous le titre "Improved Plasma Deposition of Silicon", au nom de Richard S Rosler, et collaborateurs La mise en oeuvre de ce procédé avec le dispositif d'entretoisement isolant selon l'invention dans l'appareil décrit permet d'effectuer vingt passes sans qu'il soit nécessaire de démonter et de nettoyer l'appareil Les gorges 7 peuvent tendre également à empêcher la déposition thermique, car le trajet libre moyen des espèces gazeuses est plus grand que la dimension W Ainsi, des couches conductrices peuvent être déposées de façon avantageuse dans un appareil de déposition à plasma à grande capacité. La figure 2 représente une seconde forme de réalisation du dispositif d'entretoisement isolant, ce dispositif étant indiqué globalement par la référence numé- rique l A De même que sur la figure 1, un alésage 2 A per- met à un axe cylindrique d'alignement de positionner l'en- tretoise 1 entre deux plaques conductrices 1 OA Une série longitudinale de gorges radiales 7 A, 7 B et 7 C empêche la formation d'un champ de plasma dans plusieurs tronçons de circonférence réduite 8 A, 8 B et 8 C de la matière non conductrice 4 A Par conséquent, on empêche non seulement la couche conductrice de se former aux deux extrémités de la matière non conductrice, comme sur la figure 1, mais également sur son tronçon central. La figure 3 représente le dispositif d'entretoi- sement isolant sous la référence numérique générale 1 A. Diverses dimensions sont indiquées en A (diamètre extérieur), B (diamètre des gorges) et C (diamètre de l'alésage). Les dimensions A, B et C peuvent avoir comme valeurs respec- tives, indiquées à titre d'exemples: 15,9 mm, 7,9 mm et 6,35 mm. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif d'entretoisement isolant décrit et représenté sans sortir du cadre de l'in- vention Par exemple, le dispositif d'entretoisement isolant 1 est de préférence réalisé en alumine; cependant, d'autres matières isolantes telles que du quartz peuvent également être utilisées. REVENDICATIONS 1 Appareil à plasma à radiofréquence pour dépo- ser des couches conductrices par déposition chimique en phase vapeur, assistée par plasma, appareil dans lequel un dispositif d'entretoisement isolant ( 1) maintient des plaques conductrices adjacentes ( 10) espacées les unes des autres à l'intérieur de l'appareil, lesdites plaques conductrices produisant un champ de plasma à radiofré- quence, l'appareil étant caractérisé en ce qu'au moins une partie de la surface du dispositif d'entretoisement isolant présente des gorges ( 7) destinées à empêcher la déposition de couches conductrices sur toute la surface du dispositif d'entretoisement isolant et à prévenir ainsi la formation de courts-circuits électriques entre lesdites plaques conductrices adjacentes. 2 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif d'entretoisement isolant comprend en outre une longueur cylindrique de matière non conductrice ( 4), présentant un alésage axial ( 2) destiné à recevoir un organe de positionnement provenant des plaques conductrices. 3 Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que ladite longueur cylindrique de matière non conductrice est placée sur ledit organe de positionne- ment entre deux plaques conductrices adjacentes. 4 Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les gorges comprennent des gorges radiales- ménagées dans au moins chacune des extrémités de la longueur cylindrique de matière non conductrice, lesdites gorges radiales constituant des parties de circonférence sensi- blement réduite ( 8) sur ladite longueur cylindrique de matière non conductrice. Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les gorges comprennent en outre une série longitudinale de gorges radiales ( 7 A, 7 B, 7 C) situées le long de ladite longueur cylindrique de matière non conduc- trice ( 4 A), ladite série longitudinale de gorges radiales formant plusieurs parties de circonférence réduite ( 8 A, 8 B, 8 C) dans ladite longueur cylindrique de matière non conductrice. 6 Appareil selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les gorges s'opposent au champ de plasma dans une zone proche desdites parties de circon- férence réduite, interdisant ainsi la déposition de cou- ches conductrices sur une zone de surface proche desdites gorges radiales ménagées dans la longueur cylindrique de matière non conductrice. 7 Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les gorges comprennent une série longitu- dinale de gorges radiales ( 7 A, 7 B, 7 C) ménagées dans ladite longueur cylindrique ( 4 A) de matière non conduc- trice. 8 Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en ce que lesdites gorges s'opposent au champ de plasma dans une zone proche de ladite série longitudinale de gorges radiales, interdisant ainsi la déposition de couches conductrices sur une zone de surface proche desdites gorges longitudinales ménagées dans ladite lon- gueur cylindrique de matière non conductrice. 9 Appareil selon l'une des revendications 6 et 8, caractérisé en ce que les gorges empêchent la déposi- tion d'une couche conductrice, formant un circuit élec- trique, sur la surface de ladite longueur cylindrique de matière non conductrice. Appareil selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ladite longueur cylindrique de matière non conductrice est constituée de quartz ou d'alumine. 11 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdites gorges comprennent au moins une gorge ayant une largeur, mesurée perpendiculairement aux plaques, qui est faible par rapport à sa profondeur.