Brevet FR2538987A1 — publié le 19840706

La présente invention a pour objet une en- ceinte destinée au traitement et notamment à la gravu- re sous plasma réactif. L'invention trouve une application dans le dépôt de couches de nature quelconque (isolantes, con- ductrices, semi-conductrices) sur des substrats quel- conques (métalliqueso semi-conducteurs, isolants), par exemple dans le dépôt d'isolant sur des substrats de silicium, opération fondamentale dans la fabrica- tion des semiconducteurs. elle trouve surtout une application privi- légiée dans la gravure d'un substrat si le gaz intro- duit est approprie à cette fonction. Qn sait que le procédé de dépôt de couche sous décharge luminescente est particulièrement inté- ressant lorsqu'on désire éviter au substrat une éléva- tion importante de température Il est connu en effet que les méthodes ordinaires de dépôt chimique en phase vapeur nécessitent une température élevée, par exemple d'au moins 3501 C pour Sio 2 et 600 C pour S 13 N 4, Ces méthodes sont donc exclues pour certains substrats comme, par exemple, Eg Cd Te ou As Ga ou Zn Te, qui ne supportent pas de telles températures La technique du dépôt sous décharge luminescente, qui permet de réali- ser des dépôts à une température proche de l'ambiante, offre donc un réel avantage. Le procédé de dépôt réactif sous décharge luminescente consiste essentiellement à provoquer un plasma dans un mélange réactif introduit dans une en- ceinte o sont disposés les substrats à recouvrir. L'un -des effets du plasma est de rompre certaines liaisons moléculaires des espèces gazeuses en présence et d'initier des réactions chimiques Les substrats répartis sur une sole placée au voisinage du plasma se recouvrent alors d'une couche dont la composition dé- 2 Z 538987 pend du mélange gazeux utilisé. On pourra consulter à propos de cette tech- nique, par exemple le brevet américain USP 3 757 733 de Alan R Reinbert délivré le 11 septembre 1973, et -intitulé "Radial Flow Reactor" ou encore l'article in- titulé WA Production Reactor for Low Tuperature Plasma-enhanced Silicon Nitride Deposition", publié par R S Rosler et al dans la revue 'Solid State Tech- nology", volume 19, n O 6, 1976, page 45 et les articles gui y sont cités. De telles enceintes perfectionnées pour traiter des substrats par la méthode du plasma réactif ont été décrites antérieurement également dans le bre- vet du CEA 77 20 766 du 6/7/77 et comportent essen- tiellement des moyens pour uniformiser la ripartition du gaz réactif qui, après avoir traversé l'électrode d'introduction, atteint le substrat à traiter. L'attaque d'un substrat sous plasma réactif joue un r 8 le de plus en plus important dans la techno- logie des circuits intégrés pour fabriquer des films comprenant du silicium, des composés du silicium (Si- lice, siliciure, nitrure de silicium) ainsi que l'alu- minium et ses composés (aluminium-silicium, alumi- nium-silicium-cuivre) D Uautres composés semiconduc- teurs tels que l'arséniure de gallium, l'antimoniure d'indium et le phosphure d'indium relèvent également de cette technique connue. Le procédé d'attaque par plasma réactif con- siste à introduire un gaz réactif à basse pression dans l'enceinte de gravure contenant le substrat à graver et à soumettre ce gaz à une décharge électrique froide (température voisine de la température ambian- te) qui dissocie le gaz en espèces diffusantes acti- ves, c'est-à-dire ions et radicaux libres qui vont alors réagir sur le substrat et éventuellement l'atta- quer On a malheureusement remarqué que la nature phy- sique et chimique du matériau qui constitue l'enceinte de réaction ellemême joue un rôle très important sur la cinétique et les performances de la gravure ou du dépot réalisé. En effet, le plasma N est pas absolument confiné entre les deux électrodes, mais du fait des conditions de pression et de la nature du gaz réactif, il peut diffuser jusqu'aux parois mîmes-du réacteur. La dissociation et/ou la recombinaison des espèces diffusantes actives sur les parois de l Venceinte est variable selon la réactivité chimique de ces parois et on a observé des formations importantes de polymères lorsque lesdites parois de l'enceinte sont en acier inoxydable; dans ce dernier cas, on parvient ainsi à une cinétique de réaction différente entraînant une diminution notable des vitesses de gravures, une perte de sélectivité des gravures d'un matériau par rapport. à un autre, une modification des profils de ces mêmes. gravures, de même la nature chimique des parois change le potentiel plasma et modifie le rapport je- Pour lutter contre ces difficultés, on a tenté d'utiliser des parois a priori plus inertes, comme par exemple le quartz qui a été employé avec succès pour ralentir la formation des polymères précé- dents dans les enceintes de gravures sous plasma réac- tif Malheureusement, l'utilisation de quartz pour constituer lesdites parois entraîne un coût très élevé de l'installation, une fragilité mécanique accrue car le quartz est plus fragile que les métaux et enfin le risque d'introduction d'une pression partielle d'oxy- gène dans l'enceinte au cours de son fonctionnement. En effet, les radicaux actifs qui migrent vers les parois attaquent le quartz et peuvent, dans certains cas, libérer de l'oxygène dans l'enceinte, ce qui nuit 4 2538987 considérablement à la cinétique des réactions de gra- vures ainsi qu'à la qualité des gravures ou des dépôts obtenus. La présente invention a précisément pour objet une enceinte pour le traitement de substrats par la méthode de plasma réactif qui pallie, par des moyens particulièrement simaples, les difficultés de l'art antérieur rappelé précédement O Cette enceinte pour le traitement de sub- l O strats par la méthode du plasma réactif du genre de celles qui comprennent de façon connue, une entrée et une- ortie pour la circulation d'un gaz réactif à bas- se pression, une sole supportant les substrats a trai- ter placée entre deux électrodes dont l'une est au potentiel de la masses et l'autre ou électrode de ra- diofréquence, est portée à un potentiel alternatif de façon à créer dans l'enceinte une décharge électrique qui dissocie le gaz en espèces réactives qui se dépo- sent sur le substrat, se caractérise en ce que l'en- ceinte est métallique et recouverte intérieurement par projection au chalumeau à plasma d'une couche protec- trice d'alumine A 1203 d'une épaisseur comprise entre 300 çm et 500 am. Selon l'invention, l'enceinte de réaction est réalisée dans un métal ou un alliage tel que par exemple l'aluminium ou l'acier inoxydable et recouver- te par schoopage ou projection au chalumeau à plasma d'un revêtement protecteur sur toute sa paroi inté- rieure Le matériau de revêtement est utilisé sous forme d'une poudre de granulométrie choisie que l'on projette dans le chalumeau à plasma de façon que le matériau utilisé atteigne la fusion dans la flamme et se trouve projeté à l'état fondu sur la paroi interne de l'enceinte de réaction o il vient alors former un dépôt adhérent De façon préférentielle, la couche protectrice de matériau ainsi déposé est une couche d'alumine A 1203 dont l'épaisseur est comprise entre 300 lm et 500 lm Dans une réalisation préférée de l'invention, le revêtement d'A 1203 est complété par une imprégnation de silicone obtenue sous pression et en temperature. Selon une caractéristique secondaire mais importante de la présente invention, l'électrode de radiofréquence de l'enceinte est également recouverte d'un matériau protecteur qui peut tre dans certains cas de l'alumine A 1203 mais de préference du tungstè- ne, notamment lorsque la réaction de gravure a lieu dans un milieu de trifluorométhane CEF 3. Une application originale de la présente in- vention est d"améliorer l'anisotropie de gravure du silicium polycristallin pendant la gravure avec SF 6 o En effet, un réacteur inox recouvert d'un dépô 8 t d'A 1203 shoopé produit une gravure de silicium par SF 6 anisotrope, alors que dans les mêmes conditions un réacteur non revêtu donne une gravure de silicium iso- trope De toute façon, l'invention sera mieux com- prise en se rapportant à la lecture qui suit d'un exemple de mise en oeuvre donné à titre illustratif et non limitatif, qui sera décrit en se référant à la figure unique jointe montrant en coupe élévation une enceinte conforme à la présente inventiono Sur la figure unique, on a représenté l'en- ceinte 1 pour la gravure du substrat qui est réalisée en acier inoxydable ou en aluminium et revêtue inté- rieurement par shoopage d'un revêtement 2 d'Alumine A 1203 d'une épaisseur voisine de 300 umo Cette encein- te comporte, de fagon connue, deux électrodes dont l'une supérieure 3 est à la masse et l'autre inférieu- re 4 est portée à un potentiel alternatif par un al- 6 2538987 ternateur 5 de façon à créer en 6 dans l'espace com- pris entre les électrodes 3 et 4, une décharge élec- trique ou plasma L'électrode supérieure 3 qui est fixe et creuse est reliée à une canalisation 7 d'in- troduction du gaz réactif à basse pression, lequel est distribué dans l'espace entre les électrcdes-3 et 4 au travers d'une paroi poreuse 8-q gi rend homogène le flux de gaz dans cette zoner comme représentépar les différentes flèches FP. Une canalisation 12 équipée d'une pompe 13 permet d'assurer la circulation et l'extrac tion dans l'enceinte 1 du gaz réactif introduit par la canalisa- tion 7. L'électrode de radiofréquence inférieure 4 est mobile autour de son axe et comporte un circuit de fluide de refroidissement 90 Elle sert dans l'exemple décrit de sole supportant le substrat 10 à graver qui est ainsi directement exposé au flux de gaz réactif sortant de la paroi poreuse 8 Le plasma réalisé dans l'espace 6 dissocie le gaz réactif en espèces diffu- santes actives, c'est-à-dire en ions et en radicaux libres qui viennent réagir directement sur le substrat à graver. Dans l'exemple particulier décrite l'élec- trode de radiofréquence 4 est également protégée par un revêtement I 1 obtenu par shoopage pour améliorer les qualités de la gravure et éviter les phénomènes de pulvérisation. L'enceinte décrite sur la figure précédente a été utilisée avec un revêtement en A 1203 sur un réacteur en acier inoxydable pour faire des gravures de substrat de Si 02 en milieu de trifluorométhane CEP 3 avec toute satisfaction, alors que dans des conditions identiques et en l'absence du revêtement d IA 1203, les réactions de polymérisation qui se développaient sur 7 2538987 la surface interne de l'enceinte annihilaient complè- tement la phase de gravure recherchée. Parallèlement au progrès technique apporté par ce revêtement 2 de la paroi interne, le recouvre- N ment dle l'électrode de radiofréquence par un matériau tel que le tungstène, qui reste inerte en présence d'un bombardement ioni Dque dans une ambiance de CH 133, a permis d'améliorer li sélectivité de gravures Si O 2/Si d'un facteur 2 par comparaison avec une électrode de radiofréquence simplement revêtue d'Al 03 A ce sujets on rappellera que la sélectivité de gravure d'un corps par rapport à un autre se définit par le r apport des vitesses des gravures de chacun de ces corps. * on notera enfin que le revêtement 2 d'A 1203 possède des propriétés intéressantes, notamment du fait qu'il est facile à nettoyer et qu'il est exempt de toute porosité. Bien entendu, l'alumine et le tungstène dé- crits pour les revêtements de l'enceinte et de l'élec- trode de radiofréquence ne sont pas donnés à titre limitatif; tout autre matériau ou alliage approprié peut également être utilisé à volonté selon les buts recherchés sans pour autant sortir du cadre de l'in- vention. REVENDICATIONS 1 e Enceinte pour le traitement et notamment la gravure de substrats par la méthode du plasma réac- tif, du genre de celles qui comprennent de façon con- nue, une entrée ( 7) et une sortie ( 12 J pour la circu- lation d'un gaz réactif à basse pression, une sole supportant le substrat ( 10) a traiter placée entre deux électrodes dont l'une ( 3) est au potentiel de la masse, et l'autre ( 4) ou électrode de radiofréquence, est portée à un potentiel alternatif de façon à créer dans l'enceinte une décharge électrique qui dissocie le gaz en espèces réactives qui réagissent sur le substrat, caractérisée en ce que l'enceinte est métal- lique et recouverte intérieurement par projection au chalumeau à plasma d'une couche protectrice ( 2) d'alu- mine A 1203 d'une épaisseur comprise entre 300 v m et- 500 Dm. 2 Enceinte selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que le revêtement d'alumine A 1203 de l'enceinte est complété par une imprégnation de sili- cone. 3 Enceinte selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'électrode de radiofréquence ( 4) est également recouverte d'un matériau protecteur. 4 Enceinte selon la revendication 3, carac- térisée en ce que le matériau protecteur recouvrant l'électrode de radiofréquence est l'alumine A 1203 * Enceinte selon la revendication 3, carac- térisée en ce que le matériau protecteur recouvrant l'électrode de radiofréquence est le tungstène.