Brevet FR2555362A1 — publié le 19850524

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de traitement d'un matériau semiconduc- teur, par plasma. Elle s'applique notamment à la gra- vure d'un matériau semiconducteur, par exemple de pla- quettes semiconductrices destinées à la fabrication de circuits intégrés, le mot "gravure" étant pris dans un sens très large "d'enlèvement de matière" suivant une géométrie prédéterminée ou quelconque. L'invention s'applique également au dépôt d'une matière sur le ma- tériau ainsi qu'à la croissance de couches sur un substrat et, plus généralement, au traitement de sur- faces. On connait déjà des machines pour le traite- ment de matériaux semiconducteurs, utilisant le procé- dé de gravure ionique réactive. Ces machines présen- tent l'inconvénient majeur d'effectuer la gravure très lentement (à une vitesse de l'ordre de 100 nm/mn pour le silicium et les siliciures et 50 nm/mn pour la si- lic4. La présente invention a pour objet un procé- dé et un dispositif de traitement d'un matériau semi- conducteur qui améliorent la sélectivité ou qui per- mettent des vitesses de gravure nettement plus impor- tantes. De façon précise, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé de traitement d'un matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il con- siste à placer le matériau dans une enceinte électri- quement isolante et à le soumettre, dans l'enceinte, àunplasma d'un composé gazeux approprié au traite- ment, ce plasma étant obtenu par l'action d'un champ magnétique uniforme et d'un champ électromagnétique radio-fréquence dont la composante magnétique est per- pendiculaire au champ magnétique uniforme. Par "composé gazeux", on entend un gaz pur ou un mélange gazeux. Par "traitement", on entend aussi bien la gravure du matériau que le dépôt d'une matière sur celui-ci. Par "champ électromagnétique radio-fréquen- ce", on entend un champ électromagnétique dont la fré- quence est inférieure à 0lGHz. Bien entendu, le matériau peut être préparé de façon appropriée, en fonction du traitement qu'il doit subir et préalablement à ce traitement. Par exemple, dans le cas de la gravure de plaquettes semi- conductrices destinées à la fabrication de circuits intégrés, on peut être amené à recouvrir ces plaquet- tes d'une couche discontinue (masque) de résine, de Si3N4, de silice..., avant de les traiter selon l'in- vention, pour ne graver que des domaines prédéterminés des plaquettes. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, le traitement est une gravure du matériau et le composé gazeux comprend-au moins un gaz susceptible de donner, par décomposition, un élément apte à se combiner avec au moins l'un des éléments constituant le matériau pour donner un compo- sé volatil. Dans le cas o le matériau à graver est du silicium, le composé gazeux comprend, de préférence, de l'argon et de l'hydrogène, mélange qui présente un grand intérêt comme on le verra par la suite. Selon un autre mode de mise en oeuvre parti- culier du procédé objet de l'invention, le traitement est un dépôt d'une matière sur le matériau et le com- posé gazeux comprend au moins un gaz apte à donner la matière par décomposition. La présente invention a également pour objet un dispositif de traitement d'un matériau semiconduc- teur, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte électriquement isolante, - des moyens de support du matériau dans l'enceinte, - des moyens d'introduction dans l'enceinte et d'éva- cuation de celle-ci, d'un composé gazeux approprié au traitement. - des moyens de production d'un champ magnétique uni- forme dans l'enceinte, et - des moyens de production d'un champ électromagnéti- que radio-fréquence dans l'enceinte, tel que sa com- posante magnétique soit perpendiculaire au champ ma- gnétique uniforme, de manière à traiter le matériau en le soumettant à un plasma obtenu par ionisation du composé gazeux présent dans l'enceinte et soumis aux champs uniforme et radio-fréquence. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, l'enceinte présente la forme d'un tube et le champ uniforme est parallèle à l'axe du tube. Enfin, selon un autre mode de réalisation particulier, le matériau se présente sous forme d'une pluralité de plaquettes et les moyens de support sont mobiles et aptes à maintenir les plaquettes perpendi- culairement à l'axe du tube. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, et - les figures 2 et 3 mettent en évidence l'intérêt de l'invention en ce qui concerne les gravu- res respectivement isotrope et anisotrope du silicium. Sur la figure 1, on a représenté schémati- quement un mode de réalisation particulier du disposi- tif objet de l'invention. Celui-ci comprend: - une enceinte 2 électriquement isolante, - des moyens 3 de production d'un champ magnétique uniforme B0 dans l'enceinte, et - des moyens 4 de production d'un champ électromagné- tique radio-fréquence dans l'enceinte, tel que sa composante magnétique BT soit perpendiculaire au champ magnétique uniforme B0. Par exemple, l'enceinte 2 consiste en un tube en quartz d'axe Z, les moyens 3 de production du champ uniforme B. sont constitués par deux bobines ma- gnétiques 3a et 3b qui entourent le tube 2 et sont convenablement alimentées en courant électrique con- tinu par des moyens non représentés, et les moyens 4 de production du champ radio-fréquence comprennent une antenne quadrifilaire 5 et une source radio-fréquence 6 pour alimenter l'antenne. Cette dernière entoure le tube 2, dans l'espace compris entre celui-ci et les deux bobines 3a et 3b. L'antenne 5 peut être schématiquement con- sidérée comme étant composée de deux boucles électri- quement conductrices formant bobines de Helmholtz et diamétralement opposées de part et d'autre du tube 2, dans le domaine d'action des bobines 3a et 3b. L'asso- ciation du tube 2, du champ uniforme B0 et de l'anten- ne 5, prévue pour produire un champ électromagnétique dont la composante magnétique est perpendiculaire au champ uniforme B0, en vue de créer un plasma dans le tube, est d'ailleurs déjà connue par l'article de R.W. BOSWELL, publié dans Physics Letters, vol.33A, n 7, 11 décembre 1970, p. 457 et 458, mais sans mention d'application particulière du plasma. Le dispositif représenté sur la figure 1 e comprend également des moyens 7 de support du matériau 8 à traiter dans le domaine d'action des champs B0 et BT. Sur la figure 1, on aperçoit également un conduit 13 pour introduire dans le tube 2 un composé gazeux approprié au traitement du matériau 8 et un autre conduit 14 pour évacuer ce composé en direction de moyens de pompage non représentés. Des jauges 15 et 16 permettent de mesurer la pression régnant dans le tube. En outre, un sas non représenté est prévu au moins à l'une des extrémités du tube, pour introduire dans celui-ci le matériau 8 et évacuer ce matériau une fois traité. Le dispositif décrit en référence à la figu- re 1 appartient à la catégorie des machines dites "tu- bulaires" qui travaillent à basse pression (comprise entre environ 0,1 et 10 pascals et en tout cas infé- rieure à 102 pascals) et dans lesquelles les énergies mises en jeu ne dépassent pas 10 eV environ et sont en tout cas inférieures à 100 eV. D'autre part, le systè- me décrit permet d'appliquer une polarisation du porte substrat indépendamment de la création du plasma. Ce dispositif permet de créer une colonne de plasma dans le tube, sous l'action du champ radio- fréquence BT couplé au champ uniforme B0, ce dernier ayant une intensité faible, comprise entre environ quelques millièmes et quelques dixièmes de tesla. L'intérêt de la présente invention réside dans la re- marquable efficacité de couplage radio-fréquence (la fréquence industrielle de 13,56 MHz étantd'aileurs bien adaptée à l'invention) de l'antenne excitatrice 5, ce qui conduit à la production de plasmas de densités très importantes en regard des densités de puissance électromagnétique utilisées: on peut par exemple ob- tenir des densités de l'ordre de quelques 1012 élec- trons par cm3 avec des densités de puissance de l'ordre de 0,1 à 1 W par cm3 selon le type de composé gazeux utilisé. La possibilité d'engendrer des densi- tés électroniques élevées confère au dispositif de l'invention des caractéristiques inédites, en parti- culier dans le domaine de la gravure d'un matériau semiconducteur tel que le silicium monocristallin ou polycristallin, la gravure du silicium étant de préfé- rence réalisée dans l'invention à l'aide d'un mélange gazeux hydrogéne-argon. Avec ce mélange, l'invention permet une gra- vure très sélective du silicium par rapport à la sili- ce SiO2 et au nitrure de silicium Si3N4, la sélectivi- té (rapport de la vitesse de gravure du silicium à la vitesse de gravure de SiO2 ou Si3N4) étant de l'ordre de 30 à 50, voire supérieure à ces valeurs. Le tableau I suivant donne des conditions expérimentales aboutis- sant à de telles valeurs ainsi qu'à des vitesses Vi élevées de gravure pour le silicium polycristallin. TABLEAU I Pression Densité de Débit Débit Vsi Sélec totale puissance d'argon de H2 tivité (Pa) (W/dm3) (cm3/mn)(cm3/mn) (7m/mn) 1,3 320 4 8 0,20 30 à 50 1,3 320 4 20 0,35 30 à 50 Les molécules d'hydrogène sont dissociées dans le plasma et les atomes d'hydrogène réagissent avec le silicium pour donner le composé volatil SiHxi avec x inférieur ou égal à quatre. L'argon catalyse cette réaction en favorisant la dissociation des molé- cules d'hydrogène. Le mélange hydrogène-argon utilisé avec l'invention, permet en outre de graver le silicium en prédéterminant la pente de gravure, cette pente étant fonction de la concentration relative de l'argon dans l'hydrogène. En particulier, on peut obtenir une gra- vure parfaitement isotrope pour une faible concentra- tion relative d'argon, une gravure parfaitement aniso- trope pour une concentration relative d'argon égale à %, ainsi que des configurations intermédiaires, comme le montre le tableau II suivant: TABLEAU II Pression Densité de Proportion Proportion Pente totale puissance de H2 d'argon (Pa) (W/dm) 0,79 320 1 1 90 1,3 320 2,5 1 isotrope 1,3 320 3,75 1 45-50 1,3 320 5 1 70 1,3 320 8 1 60 A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 2 la gravure isotrope d'un substrat 17 de Si recouvert d'un masque 18 de SiO2, gravure obtenue à l'aide d'un mélange de 95% d'hydrogène et de 5% d'argon, la vitesse de gravure du silicium étant de l'ordre de 0,2 à 0,3,'m/mn et la sélectivité (par rap- port à SiO2) au moins égale à 50, et sur la figure 3, la gravure parfaitement anisotrope d'une couche 20 de silicium polycristallin recouverte d'un masque 21 en aluminium et déposée sur une couche 22 de SiO2, elle- même déposée sur un substrat 23 de Si , gravure obtenue à l'aide d'un mélange de 50% d'hydrogène et de % d'argon, la vitesse de gravure du silicium étant de l'ordre de 0,15 à 0,2 'tm/mn et la sélectivité (par rapport à SiO2) au moins égale à 30, avec dans les deux cas (figures 2 et 3) une densité de puissance du champ radio-fréquence (13,56 MHz) de 300 W/cm3, un champ uniforme B0 de 5.10-3 T, une pression totale de 0 3 0,79 Pa et un débit gazeux de l'ordre de 0,3 dm3/mn. La variation du profil du silicium gravé est obtenue sans consommation du masque ni adjonction d'une polarisation externe sur le substrat. Par comparaison, une gravure ionique réac- tive classique de silicium polycristallin, réalisée à -10 l'aide de SF6 pur, avec une pression de 0,66 Pa, un débit de 15 cm3/mn, une densité de puissance de W/dm3, est anisotrope et s'effectue avec une vites- se de l'ordre de 0,1 -gm/mn et une sélectivité de l'ordre de 2 à 4 par rapport à SiO2. L'invention permet donc une gravure du sili- cium avec un mélange hydrogène-argon qui est facile à utiliser (comparativement aux gaz chlorés employés dans les installations de l'art antérieur, gaz permet- tant une bonne sélectivité mais dont l'emploi est dé- licat, pose des problèmes de sécurité et de tenue des matériaux et oblige à éviter impérativement la présen- ce de vapeur d'eau dans l'appareil de gravure) et permet une sélectivité, par rapport à SiO2 ou Si3N4, au moins égale à celles qui sont obtenues dans l'art - antérieur. En outre, avec ce mélange, l'invention permet la gravure du silicium avec une pente qui varie coitinuement avec les concentrations relatives d'ar- gon et d'hydrogène. Bien entendu, l'invention peut être utili- sée dans le domaine de la gravure avec des mélanges gazeux autres que le mélange hydrogène-argon, par exemple avec un mélange comprenant un halogène tel que le chlore ou le fluor sous forme gazeuse inerte, un oxydant tel que l'oxygène, un réducteur tel que l'hy- drogène et un gaz neutre tel qu'un gaz rare (l'argon par exemple). On peut également utiliser avec l'inven- tion des gaz fluorés, carbono-fluorés ou chlorés ainsi que tous les mélanges obtenus à partir de ces gaz et d'adjuvants tels que H2 ou 02. L'invention permet par exemple la gravure à très grande vitesse du silicium polycristallin à l'aide de SF6 pur comme le montre le tableau III suivant: TABLEAU III Débit SF6 Puissance Densité de Pression Vitesse de radio-fré- puissance SF6 gravure quence (cm3/mn) (W) (W/dm3) (Pa) (lim/mn) 10 200 250 0,66 0,08 200 250 1,38 2 200 250 1,97 3,5 200 250 2,63 3,8 320 400 1,58 5 L'invention permet également de déposer sur un substrat, un matériau tel que le silicium, en utilisant SiH4 en tant que composé gazeux: ce dernier se décompose en hydrogène et en silicium qui se dépose sur le substrat. On peut aussi utiliser le dispositif selon l'invention pour la gravure en créantun plasma, à par- tir de tout gaz fluoré, carbono-fluoré ou chloré. Dans tous les cas, on constate une vitesse de gravure net- tement supérieure à celle obtenue dans les dispositifs classiques. L'invention peut s'appliquer en conséquen- ce - à la réalisation de tranchées pour caissons d'isole- ment, de l'ordre de 1 %m de largeur et 5 1m= de pro- fondeur, - à l'amorce de chemins de découpe avant clivage, -à la réalisation de marques d'alignement pour mas- queurs électroniques, - à la gravure de la face arrière de plaquettes semi- conductrices pour y réaliser une prise de contact, - à l'amincissement et à la mise à épaisseur des pla- quettes (par exemple avant leur montage dans des bottiers), et - au nettoyage d'objets souillés par un matériau semi- conducteur: par exemple au nettoyage de nacelles en quartz après dépôt de silicium polycristallin, par CVD, LPCVD ou PECVD. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un matériau semi- conducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à placer le matériau (8) dans une enceinte électriquement iso- lante (2) et à le soumettre., dans l'enceinte, à un plasma d'un composé gazeux approprié au traitement, ce plasma étant obtenu par l'action d'un champ magné- tique uniforme (B0) et d'un champ électromagnétique radio-fréquence dont la composante magnétique (BT) est perpendiculaire au champ magnétique uniforme. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le traitement est une gravure du ma- tériau et en ce que le composé gazeux comprend au moins un gaz susceptible de donner, par décomposition, un élément apte à se combiner avec au moins l'un des éléments constituant le matériau pour donner un compo- sé volatil. 3. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le composé gazeux est un composé fluoré, carbono-fluoré ou chloré. 4. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le matériau est du silicium et en ce que le composé gazeux comprend de l'argon et de l'hy- drogène. 5. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisé en ce que le matériau se présente sous forme d'au moins une plaquette destinée à la fabrication de circuits intégrés et recouverte d'une couche protectrice discontinue délimitant des bandes sur la plaquette, pour y réaliser des tranchées pour caissons d'isolement ou y amorcer des chemins de découpe avant clivage. 6. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le traitement est un dépôt d'une ma- tière sur le matériau et en ce que le composé gazeux comprend au moins un gaz apte à donner la matière par décomposition. 7, Dispositif de traitement d'un matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte électriquement isolante (2), - des moyens (7) de support du matériau (8) dans l'en- ceinte, - des moyens (13, 14) d'introduction dans l'enceinte et d'évacuation de celle-ci, d'un composé gazeux approprié au traitement, des moyens (3) de production d'un champ magnétique uniforme (B0) dans l'enceinte, et - des moyens (4) de production d'un champ électroma- gnétique radio-fréquence dans l'enceinte, tel que sa composante magnétique (BT) soit perpendiculaire au champ magnétique uniforme, de manière à traiter le matériau en le soumettant à un plasma obtenu par ionisation du composé gazeux présent dans l'enceinte et soumis aux champs uniforme et radio-fréquence. 8. Dispositif selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que l'enceinte (2) présente la forme d'un tube et en ce que le champ uniforme est parallèle à l'axe (Z) du tube.