Brevet FR2555360A1 — publié le 19850524

La présente invention a pour objet un dispo- sitif pour la réalisation de couches diélectriques minces à la surface de corps solides, notamment pour l'oxydation ou la nitruration de plaquettes de sili- cium utilisées dans la fabrication des circuits intré- grés. L'oxydation de susbstrats tels que des semi- conducteurs a été d'abord réalisée par voie thermique en atmosphère d'oxygène sèche ou humide à des tempéra- tures de l'ordre de 800 à 1100 C. Cependant, avec le développement de la microminiaturisation, les procé- dés d'oxydation thermique deviennent de plus en plus difficiles à employer à cause des températures élevées qui sont nécessaires en raison des structures comple- xes. En effet, la distribution des impuretés change beaucoup à haute température. C'est pourquoi des ef- forts ont été faits pour trouver des procédés d'oxyda- tion permettant de travailler à des températures plus basses, de l'ordre de 700 C et de préférence en-des- sous, températures auxquelles les coefficients de dif- fusion des impuretés deviennent très faibles, et les déformations consécutives aux contraintes mécaniques sont minimisées. C'est ainsi qu'on a développé des techniques d'oxydation permettant d'activer les réac- tions chimiques par plasma. Le brevet européen 0039406 décrit un procédé d'oxydation qui consiste à placer le substrat à oxyder à l'intérieur d'un tube étanche de forme allongée par- couru par un courant d'oxygène et équipé de moyens de création et d'excitation du plasma à l'une de ses ex- trémités, l'échantillon à traiter étant une plaquette disposée perpendiculairement au courant de plasma et proche de la zone de création de celui-ci. Dans une variante, il est possible de traiter plusieurs pla- quettes simultanément, mais les plaquettes se trouvent dans un même plan transversal du tube. Cet appareil présente un certain nombre d'inconvénients dont le principal est qu'il est diffi- cile de maîtriser la croissance de l'oxyde et par con- séquent son épaisseur et sa régularité sur toute la face de la plaquette. D'autre part, ce dispositif ne fonctionne que si la plaquette est relativement près de la zone d'excitation du plasma: en effet, la pla- quette obture en grande partie le tube et crée une différence de certains paramètres du plasma, ce qui provoque l'oxydation de sa face située en aval par rapport au courant d'oxygène. Or, le fait que la pla- quette à oxyder se trouve près de la zone d'excitation du plasma entraîne une possibilité de déposition sur la plaquette de particules oxydées provenant du tube lui-même au niveau de la zone d'excitation du plasma (effet de pulvérisation cathodique). De plus, la vitesse d'oxydation reste dans tous les cas relativement faible et ce dispositif ne permet de traiter qu'une seule plaquette à la fois dans sa première variante. La deuxième variante est bien une version multiplaquettes, mais ces dernières sont placées les unes à côté des autres dans un même plan transversal du tube. Dans une telle disposition, l'enceinte né- cessaire pour traiter les plaquettes présente un très grand diamètre et un très grand volume et il est très difficile d'assurer dans ces conditions une homogénéi- té suffisante du plasma et d'assurer une constance dans l'épaisseur d'oxyde: or, c'est cette très grande maîtrise de l'épaisseur d'oxyde et sa très grande qua- lité, ainsi que sa très grande homogénéité, qui sont visées dans un procédé d'oxydation applicable indus- triellement en microélectronique Il existe une autre méthode consistant éga- lement à créer un plasma d'oxygène dans une enceinte à l'intérieur de laquelle on place le corps métallique ou semiconducteur à oxyder, celui-ci étant relié élec- triquement à une source de tension positive par rap- port à une cathode également immergée dans le plasma. Dans ce cas, et plus particulièrement lorsque la tem- pérature de l'ensemble est assez élevée (supérieure à 400 C), on peut obtenir des vitesses d'oxydation net- tement supérieures. Cependant, malgré cet avantage il n'a jamais été possible d'agencer un dispositif garan- tissant une épaisseur constante d'oxyde sur toute la surface d'une plaquette et a fortiori de tout un lot de plaquettes ainsi traitées. La présente invention a justement pour objet d'éliminer ces inconvénients en proposant un disposi- tif pour l'oxydation ou la nitruration en surface de corps solides qui permet d'obtenir à la fois une vi- tesse de croissance de la couche d'oxyde ou de nitrure importante, et donc une bonne rentabilité, ainsi qu'une bonne homogénéité de la couche d'oxyde ainsi obtenue. Selon la principale caractéristique du dis- positif objet de l'invention, celui-ci, du type com- portant un tube parcouru par un courant de gaz réactif et contenant le corps à traiter, des moyens extérieurs de création d'un plasma à l'intérieur du tube, des moyens de chauffage de la zone du tube o se trouve le corps à traiter, ce dernier étant porté à un potentiel électrique adapté par rapport à celui d'une électrode se trouvant également à l'intérieur du tube, les moyens de création du plasma se trouvent à une extré- mité du tube, définissant ainsi une zone de création du plasma, la zone o se trouve le corps à traiter est séparée de la zone de création du plasma par un espace intermédiaire et l'électrode se trouve du côté opposé à la zone de création du plasma par rapport au corps à traiter. Si l'on désire réaliser une oxydation, le tube est parcouru par un courant d'oxygène et le corps à traiter est porté à un potentiel électrique positif par rapport à celui de ladite électrode. Si l'on dési- re réaliser une nitruration, le tube est parcouru par un courant d'azote et le corps à traiter est porté à un potentiel électrique négatif par rapport à celui de ladite électrode. Dans le mode de réalisation préféré, le tube est en quartz ou en un autre matériau non oxydable et le rapport de sa longueur totale à son diamètre est compris entre 10 et 30 tandis que la longueur de la zone intermédiaire séparant la zone de création du plasma et la zone o se trouve le corps à oxyder est comprise entre 0,5 fois et 2 fois le diamètre du tube. Le principe de l'invention consistant à as- sister thermiquement par un chauffage extérieur, la réaction chimique présente les avantages suivants: - augmenter la vitesse de croissance de la couche d'oxyde en activant thermiquement la réaction d'oxydation, et - éviter les claquages électriques destruc- tifs de la couche d'oxyde en minimisant les effets de charges de l'oxyde pendant la croissance, ce qui per- met d'atteindre des épaisseurs élevées d'oxydes (supé- rieures à 1 micron). L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisa- tion pour un traitement d'oxydation, description don- née à titre purement illustratif et nullement limita- tif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 est un graphe représentant l'épaisseur d'oxyde en nanomètres en fonction du temps d'oxyda- tion en heures avec le dispositif de l'invention comparé à un procédé thermique classique pour diffé- rentes conditions expérimentales, - la figure 3 est un graphe représentant l'épaisseur d'oxyde en nanomètres en fonction de la durée d'oxy- dation en heures avec le dispositif de l'invention à différentes températures et avec une densité de cou- rant de 10 mA/cm2, et - la figure 4 est un graphe semblable à la figure 3 lorsque la densité de courant est de 30 mA/cm2 Si l'on se reporte à la figure 1, on voit que le dispositif de l'invention se compose essentiel- lement d'un tube de quartz 2 parcouru par un courant d'oxygène, le gaz pénétrant par un piquage 4 situé à une extrémité du tube et sortant par un autre piquage 6 situé à l'autre extrémité du tube 2. Selon l'invention, le tube est équipé au voisinage de son extrémité par o arrive l'oxygène de moyens de création de plasma qui peuvent consister par exemple en une électrode capacitive 8 reliée à un gé- nérateur haute fréquence 10 par l'intermédiaire d'une boite d'accord 12. On définit ainsi à l'extrémité du tube une zone 14 qu'on appellera "zone de création de plasma" dans la suite du présent texte. De manière connue, les corps à oxyder, par exemple des plaquettes de silicium 16, sont placées sur un support 17 dans une zone 18 du tube qui est chauffée par des moyens extérieurs, par exemple une résistance électrique 20. Lorsqu'on traite tout un lot de plaquettes, celles-ci sont disposées de préférence parallèlement entre elles et perpendiculairement à l'axe longitudinal du tube. Selon l'invention, la zone 18 dans laquelle se trouvent les plaquettes 16 est séparée de la zone 14 d'excitation du plasma par une zone intermédiaire 22 dont la longueur est comprise entre 0,5 et 2 fois le diamètre du tube 2: l'homme de l'art déterminera cette distance en fonction de chaque cas particulier en sachant qu'elle doit être directement fonction du libre parcours des particules issues par pulvérisation du tube dans la zone de création du plasma. Ceci per- met d'assurer l'absence de pulvérisation cathodique du tube et d'obtenir une très bonne qualité de l'oxyde puisque les plaquettes ne risquent pas d'être polluées par des particules de quartz arrachées au tube. La figure 1 montre encore que le dispositif comporte une cathode 24 placée à l'intérieur du tube 2 mais du côté opposé à la zone de création de plasma 14 par rapport à la zone centrale 18 ou se trouvent les plaquettes 16, c'est-à-dire en aval de ces dernières par rapport au sens du courant d'oxygène. La cathode 24 est reliée au moyen d'un fil 28 à un générateur de tension 26 auquel sont également reliées les plaquet- tes 16 par l'intermédiaire d'un fil 30 protégé par une gaine d'isolation 32. Le générateur 26 est réglé de telle sorte que le potentiel des plaquettes 16 soit positif par rapport à celui de la cathode 24. Cette dernière doit présenter une surface de contact avec le plasma compatible avec l'intensité de courant d'anodisation, ce courant étant d'autant plus important (pour une vitesse d'oxydation donnée) que la surface totale des plaquettes traitées simultanément est grande. Ceci explique la forme compliquée donnée à 39 la cathode dans l'exemple de la figure 1, mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant d'autres formes pour la cathode. Le fait d'utiliser un montage anode-cathode permet d'obtenir une plus grande vitesse de croissance de l'oxyde. D'autre part, lorsque, conformément à l'invention, on éloigne la zone de cathode de la zone de création et d'excitation du plasma et lorsque la cathode est placée en aval des plaquettes à oxyder par rapport à cette zone, les lignes de champ de polarisa- tion des plaquettes ne sont pas perturbées par les champs électriques intenses régnant dans la zone de création du plasma, ce qui permet d'assurer une crois- sance d'oxyde parfaitement uniforme sur toute la sur- face de la plaquette et sur chaque plaquette traitée simultanément si on traite un lot de plaquettes. On voit encore sur la figure que l'on peut avantageusement prévoir une vanne d'isolement 34 du tube 2 et un sas de chargement 36 situé en aval de cette dernière par rapport au courant d'oxygène. Cette disposition permet d'introduire dans le sas l'ensemble constitué par les plaquettes 16, leur support 17, la gaine 32 et la cathode 24, puis de faire le vide dans le sas de chargement avant de disposer les plaquettes et la cathode à leur emplacement définitif. Ce système de sas permet de protéger le tube d'éventuelles pollu- tions extérieures. D'autre part, dans le cas particulier repré- senté ici, les plaquettes sont traitées par groupes de deux accollées dos à dos, les plaquettes d'un groupe donné étant réunies à leur partie supérieure par des agrafes 38. Il est possible avec un tel dispositif de réaliser l'oxydation des plaquettes soit sur les deux faces, soit sur une seule face en protégeant l'autre avec un matériau isolant. Le contact entre le matériau isolant et la plaquette n'a pas besoin d'être parfait car, en deçà de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur d'interstice, le plasma ne peut pénétrer entre la plaquette et l'isolant. A titre d'essai, on a réalisé avec un tel dispositif l'oxydation de plaquettes de silicium d'un diamètre de 10 cm environ. On a constaté que les meil- leurs résultats étaient obtenus en opérant à une pres- sion comprise entre 10 et 100mTorr, de préférence com- prise entre 20 et 50 mTorr et avec un débit d'oxygène compris entre 1 et 20 cm3/minute. La température est comprise entre 300 et 900 C et de préférence entre 500 et 800 C. La densité de courant d'anodisation, c'est- à-dire la densité du courant traversant les plaquet- tes, est comprise entre 10 et 30 mA/cm2 pour une ten- sion appliquée entre l'anode et la cathode comprise entre 50 et 250 volts. Quant à la fréquence d'excita- tion du plasma, elle peut varier entre 0,5 et 30 MHz, la fréquence préférée étant de 13,56 MHz. Les courbes de la figure 2 représentent l'épaisseur d'oxyde obtenue en fonction de la durée d'oxydation avec le dispositif de l'invention (courbes en traits pleins) et avec un procédé thermique classi- que (courbes en traits interrompus) sur des plaquettes de silicium. On voit qu'en travaillant à 480 C avec une densité de courant de 10 mA/cm2, on obtient une vitesse d'oxydation supérieure à celle qu'on obtient à 800 C avec le procédé thermique. D'autre part, la courbe obtenue avec le dis- positif de l'invention à 750 C avec une densité de courant de 30 mA/cm2 est pratiquement confondue avec la courbe correspondant à une oxydation thermique ef- fectuée à 1000 C. Quant aux figures 3 et 4, elles montrent l'épaisseur d'oxyde obtenue en fonction du temps d'oxydation pour différentes températures, les cour- bes de la figure 3 correspondant à une densité de cou- rant J de 10 mA/cm2 et la figure 4 correspondant à une densité de courant J de 30 mA/cm2. On voit par exemple (figure 3) qu'au bout de deux heures l'épaisseur d'oxyde est de l'ordre de 180 nanomètres si l'on opère à 480 C et de l'ordre de 350 nanomètres si l'on opère à 770 C avec une densité de courant de 10 mA/cm2. La comparaison avec la figure 4 montre que si l'on opère avec une densité de courant de 30 mA/cm2, ces valeurs passent respectivement à 350 et 600 nanomètres envi- ron. Ainsi le dispositif objet de l'invention présente de nombreux avantages dont le principal est d'obtenir une croissance rapide de la couche d'oxyde grâce au fait que la température est maintenue suffi- samment élevée par le chauffage extérieur, une bonne homogénéité grâce au fait que la zone o se trouvent les plaquettes à oxyder est éloignée de la zone de création du plasma et on ne risque pas de polluer les plaquettes par la projection de particules de quartz arrachées au tube dans la zone de création de plasma. De plus, on peut aisément contrôler la vitesse d'oxy- dation ainsi que l'épaisseur d'oxyde en fin de traite- ment en mesurant et contrôlant soit l'intensité du courant d'anodsation si l'on travaille à tension cons- tante, soit la tension d'anodisation si l'on travaille à courant constant. Des épaisseurs élevées peuvent être obte- nues sans claquages électriques du fait que le champ électrique dans l'oxyde est minimisé par la pos- sibilité offerte par le système de réaliser l'anodisa- tion à une température suffisamment élevée. Bien entendu, l'invention peut être utili- sée pour réaliser localement sur une plaquette des couches minces diélectriques: il suffit pour cela de disposer sur la plaquette un masque définissant les zones à traiter. Le dispositif décrit dans la présente invention n'est pas applicable exclusivement à l'oxy- dation de matériaux semiconducteurs. Il-peut aussi servir, sans pratiquement aucune modification de structure, à la nitruration de matériaux semiconducteurs. Dans ce cas, il suffit de remplacer l'oxygène circulant dans le tube par de l'azote, et d'inverser les polarisations des plaquettes et de la cathode (qui devient ainsi une anode). Dans le cas d'une utilisation en nitruration, on constate que l'ensemble des avantages annoncés pour l'oxydation restent valables. Le même four comportant les disposi- tions conformes à l'invention peut par conséquent servir indifféremment à l'oxydation ou à la nitrura- tion. Enfin, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui vient d'être décrit mais qu'on peut envisager des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. C'est ainsi que l'homme de l'art pourra faire varier en fonction de chaque cas particulier les moyens de créa- tion du plasma ou de chauffage de la zone o se trou- vent les plaquettes à traiter ou la forme de l'élec- trode. Par exemple, dans le cas de réalisation illus- tré à la figure 1, toutes les plaquettes traitées si- multanément peuvent être reliées électriquement à une seule source de tension. Cependant, il peut être pré- férable de relier individuellement chaque plaquette à une source électrique séparée ou de relier individuel- lement des petits groupes de plaquettes à une même source. On peut ainsi mieux contrôler le courant tra- versant chaque plaquette d'un même lot afin de s'assu- rer de l'uniformité de l'épaisseur d'oxyde formé sur toutes les plaquettes d'un même lot. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la réalisation de couches diélectriques minces à la surface d'au moins un corps solide (16), du type comportant un tube (2) parcouru par un courant de gaz réactif et contenant le corps à traiter (16), des moyens de création d'un plasma à l'intérieur du tube (2), des moyens de chauffage de la zone du tube o se trouve le corps à traiter (16), ce dernier étant porté à un potentiel électrique adapté par rapport à celui d'une électrode (24) se trouvant également à l'intérieur du tube (2), caractérisé en ce que les moyens de création du plasma se trouvent à une extrémité du tube, définissant ainsi une zone de créa- tion de plasma (14), en ce que la zone o se trouve le corps à traiter (16) est séparée de la zone de créa- tion de plasma (14) par un espace intermédiaire (22) et en ce que l'électrode (24) se trouve du côté opposé à la zone de création de plasma (14) par rapport au corps à traiter (16). 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit tube (2) est parcouru par un courant d'oxygène et en ce que le corps à traiter (16) est porté à un potentiel électrique positif par rap- port à celui de ladite électrode (24). 3. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit tube (2) est parcouru par un courant d'azote et en ce que le corps à traiter (16) est porté à un potentiel électrique négatif par rap- port à celui de ladite électrode (24). 4. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit tube (2) est réalisé en un matériau non oxydable. 5. Dispositif selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que ledit tube (2) est un tube de quartz. 6. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport de la longueur totale du tube (2) à son diamètre est compris entre 10 et 30. 7. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que la longueur de la zone intermédiaire (22) entre la zone de créa- tion de plasma (14) et la zone o se trouve le corps à oxyder (16) est comprise entre 0,5 fois et 2 fois le diamètre du tube.