Brevet FR2613168A1 — publié le 19880930

PROCEDE ET DISPOSITIF DE GRAVURE PAR PLASMA D'UN MATERIAU. La présente invention concerne le domaine des procédés et dispositifs de gravure de matériaux par plasma, et plus particulièrement de tels procédés et dispositifs appliques à l'industrie de la fabrication des composants semiconducteurs discrets et/ou intégrés. L'invention s'applique notamment aux composants semicon- ducteurs a base de silicium. En effet, dans les techniques de fabrication des circuits int4gr4s et autres composants semiconduc- teurs, on utilise actuellement couramment les techniques d'attaque (ou gravure) par plasma pour enlever des parties localisées ou non de couches déposées sur des substrats. Un exemple d'appareil de gravure par plasma apparatt dans la demande de brevet français N 83/18300 du 17 novembre 1983 et, dans les exemples détaillés de la présente invention qui seront donnas ci-aprés, c'est un appareil de ce type qui a été utilise pour effectuer les expérimentations. De façon générale, dans les techniques de gravure par plasma, on cherche à améliorer diverses caractéristiques de fabri- cation notamment les formes de gravure (isotropes, anisotropes ou intermédiaires), les rapidités de gravure, la sélectivité de la gravure d'un type de matériau par rapport à un autre, etc.... C'est l'objet de la présente invention que de prévoir un nouveau procédé et un nouveau dispositif de gravure par plasma permettant d'améliorer les caractéristiques opérationnelles des procédés et des dispositifs de l'art antérieur. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de gravure d'un matériau tel que du silicium, de la silice ou d'autres composés du silicium par un plasma dans lequel sont crées des ions actifs, consistant à interrompre périodique- ment le champ électromagnétique pendant une durée inférieure ou égale au temps de relaxation desdits atomes actifs. Sous un autre aspect, la présente invention prévoit un procèdé de gravure d'un matériau par un plasma fluoré dans lequel sont créés des atomes actifs de fluor, consistant a interrompre périodiquement le champ électromagnétique pendant une durée inférieure ou égale au temps de relaxation des atomes actifs de fluor. Dans un mode de réalisation, le rapport cyclique des interruptions est modifié au cours du traitement. Dans un mode de réalisation, la périodicité desdites interruptions est modifiée au cours du traitement. Dans un mode de réalisation, le matériau sur lequel agit le plasma est choisi dans le groupe comprenant Si, Si02, W, WSi2. Selon l'invention, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé est constitué d'une enceinte à plasma du type classi- quement utilisé dans le traitement des matériaux semiconducteurs, et comprend en outre des moyens pour interrompre périodiquement le champ haute fréquence de création du plasma. L'enceinte i plasma peut notament être du type reven- diqué dans la demande de brevet français 83/18300. Grèce à ce procédé, la présente invention permet notam- ment d'obtenir une sélectivité très élevée et réglable de la gra- vure du silicium par rapport A la silice car, dans des conditions qui seront exposées plus en détail ci après, la vitesse de gravure du silicium augmente alors que la vitesse de gravure de la silice diminue par rapport au cas ou la présente invention n'est pas utilisée. De même, la présente invention permet de faire varier par modification de paramètres électriques le caractère anisotrope d'une gravure. Ceci constitue une simplification notable par rap- port aux procédés de l'art antérieur, dans lesquels cette modifi- cation d'anisotropie ne pouvait être obtenue que par variation du milieu chimique constituant le plasma ou de la pression dans 1 'enceinte. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1A à 1C représentent des vues en coupe d'ur dispositif semiconducteur au cours d'étapes ' intermédiaires de fabrication; la figure 2 représente une tension en créneau et est destinée & exposer les notations utilisées dans la description ci- après; la figure 3 représente en échelle logarithmique la vitesse d'attaque en fonction de la durée d'impulsion pour le silicium et l'oxyde de silicium (Si02); et la figure 4 illustre la sélectivité silicium/Si02 en fonction des mêmes paramètres qu'en figure 3. Les figures 1A, lB et IC représentent une configuration qui se présente souvent lors d'étapes intermédiaires de fabrica- tion d'un composant semiconducteur. Une couche supérieure 1 comprend une ouverture 2 et repose sur une couche 3 elle-même disposée sur une autre couche ou substrat 4. En se servant de la couche 1 comme masque, on cherche à faire une ouverture correspon- dante totale ou partielle dans la couche 3. Dans des exemples de réalisation fréquents, la couche 1 est une couche de silice (SiO2) mais ce peut aussi être une couche d'aluminium, une couche de résine ou autre produit photosensible, etc., ou une couche com- posite. Dans le cas d'un produit photosensible, l'ouverture 2 aura été formée directement dans la couche 1; dans le cas d'un produit non photosensible, l'ouverture 2 résulte d'une ouverture antérieu- rement formée dans une couche photosensible formée auparavant sur la couche 1. Cette couche photosensible pourra avoir été laissée en place ou non pour des opérations ultérieures. La couche 3 est, pour de nombreuses applications, une couche de silicium monocris- tallin, mais il peut s'agir de tout autre matériau, par exemple de l'un de ceux énoncés précédemment. La couche ou substrat 4 peut être un substrat de silicium, un substrat d'un matériau isolant sur lequel la couche de silicium aura été formée, ou tout autre matériau tel que décrit précédemment. Dans une application fréquente il s'agira de silicium d'un type de conductivité distinct de celui de la couche 3. On envisage ici le cas o l'on veut réaliser l'ouverture dans la couche 3 par une attaque au plasma. Comme cela est connu, en fonction des conditions du plasma, on peut obtenir une attaque anisotrope telle que représentée en figure lB, c'est-à-dire que les parois de la rainure formée dans la couche 3 sont verticales, ou une attaque isotrope telle que représentée en figure 1C, c'est- à-dire que les bords de l'ouverture formée dans la couche 3 sont inclinés et souvent courbes. Bien entendu, toute situation intermédiaire entre celle de la figure lB et celle de la figure 1C peut se produire c'est-àdire que les bords de l'ouverture seront plus ou moins inclines. On parlera souvent en pratique de la pente de l'ouverture. On a décrit le cas o l'on souhaitait former une ouver- ture dans une couche. La situation se présente de façon symétrique dans le cas o l'on souhaite au contraire laisser en place un flot d'une couche. De façon habituelle, un plasma est produit dans une enceinte à très faible pression par un champ magnétique à haute fréquence appliqué de façon continue. Selon la présente invention, comme le représente la figure 2, le champ magnétique est modulé par un signal en créneau de sorte qu'il n'est appliqué que pendant des intervalles de temps t répétitifs selon une période T. De façon classique, on appellera rapport cyclique le rapport t/T entre la durée d'application du champ haute fréquence et la durée d'interruption de ce champ. En réalisant une telle modification de l'application du champ électromagnétique, les conditions d'attaque par un plasma dans une enceinte classique de formation de plasma sont modifiées et, qui plus est, sont modifiées de façon distincte pour des pro- duits à attaquer différents. A titre d'exemple, la figure 3 représente sur une courbe à échelle logarithmique la vitesse d'attaque (v) du silicium et de la silice en micromètres par minute dans le cas d'impulsions présentant un rapport cyclique constant de 20 % quand la durée des impulsions (t) varie de O,1 & 1000 ms. Dans l'exemple représente, un appareil tel que décrit dans la demande de brevet français N 83/18300 susmentionnée à été utilisé avec un plasma de SF6, un débit de gaz de 2cm3/mn, une pression de 7 mtorr, un champ magnétique de 50 gauss, une fréquence haute de 7 MHz, une puis- sance haute fréquence de 700 W, dans les cas oO l'échantillon refroidi est placé sur un substrat flottant ou polarisé a -100 V. En figure 3, les courbes 10 et 20 correspondent À l'attaque du silicium dans le cas d'un substrat flottant et d'un substrat polarisé à -100 V, respectivement-et les courbes 30 et 40 sont des courbes correspondantes pour SiO2. On notera tout d'abord que, pour du silicium, la vitesse d'attaque est sensiblement la même dans le cas o le champ haute fréquence est haché selon l'invention que dans le cas d'un champ continu dés que t est inférieur à quelques millisecondes. Ainsi, avec une consommation cinq fois plus faible en énergie, on obtient la même vitesse d'attaque. Ceci présente un avantage notable. En effet, la réduction de consommation d'énergie entratne que les substrats sont moins chauffés et donc que les dispositifs de refroidissement de substrats, qui constituent généralement une contrainte dans les enceintes à plasma, peuvent être simplifiés. On voit aussi que, pour du silicium, la vitesse de gra- vure à rapport cyclique donné en fonction de la durée de l'impulsion présente deux états stationnaires: grande vitesse de gravure pour des impulsions brèves (moins de 5 ms), vitesse cinq fois plus faible pour des impulsions longues (plus de 500 ms), ces états étant séparés par une décroissance exponentielle. Par contre, le comportement de la silice est symétrique de celui du silicium: vitesse de gravure constante et faible pour des impulsions brèves, vitesse de gravure constante et plus rapide pour des impulsions longues, avec une croissance exponentielle entre ces deux régimes. Ainsi, la figure 3 met en évidence le fait que, pour le silicum, a partir du moment o la durée des impulsions est de l'ordre de quelques ms, ou moins, l'intervalle entre impulsions étant quatre fois plus grand, la vitesse d'attaque est sen- siblement la même que dans le cas de l'application d'un champ con- tinu alors qu'au contraire pour la silice, le fait de hacher le 2613 1 6 8 champ générateur de plasma réduit la vitesse d'attaque d'un fac- teur supérieur s 10. On augmente ainsi, comme le représente la figure 4, la sélectivité d'attaque du silicium par rapport à la silice. En figure 4, la courbe 50 correspond au cas d'un substrat flottant (rapport entre les courbes 10 et 30) et la courbe 60 correspond au cas d'un substrat polarisé t -100 V (rapport entre les courbes 20 et 40). Ceci constitue un avantage important. En effet, dans le cas de l'exemple des figures 1 illustrées ci- dessus, la couche isolante 1 est très souvent de la silice alors que la couche à attaquer 3 est très souvent du silicium. Le fait que la sélectivité d'attaque du silicium par rapport at la silice augmente, entratne que l'on pourra protéger une couche de silicium dans laquelle on veut faire une ouverture par une couche de silice beaucoup plus mince, d'o il résulte une simplification des procédures et une réduction de leurs durées. Bien que l'explication des raisons du fonctionnement du procédé de hachage selon la présente invention ne soit pas cer- taine à ce jour, on estime que le paramètre s prendre en compte pour déterminer la durée d'interruption entre impulsions ou le rapport cyclique, est le temps de relaxation des atomes neutres actifs du plasma. Pour des atomes de fluor dans le cas d'un plasma à base de SF6, cette durée est de l'ordre de quelques dizaines de ms, ce qui correspond bien a la zone de stabilisation des courbes représentées en figure 3. On estime ainsi, que dans le cas d'une attaque du silicium, pendant les interruptions du champ créateur du plasma, des atomes actifs de fluor restent en place et con- tinuent a attaquer la couche de silicium. Selon un aspect de la présente invention, l'attaque du silicium en l'absence du champ créateur de plasma est isotrope. Ainsi, a fréquence élevée, pour un rapport cyclique faible, par exemple de 20 % comme indiqué précédemment, l'attaque est essen- tiellement isotrope et l'on trouve une allure du type représenté en figure lC, c'est-l-dire que les bords latéraux de la couche attaquée sont inclinés et présentent une faible pente. Par contre, quand le rapport cyclique augmente, on se rapproche du cas ani- sotrope tel que représenté en figure lB, c'est-à-dire que la pente des bords latéraux de la couche attaquée est très forte. Pour pouvoir expliquer les résultats obtenus, il faut considérer deux régimes dc gravure: - la gravure liée a la présence du plasma, - la gravure liée a la post décharge. En présence de plasma, la gravure est due a l'action des particules neutres réactives et du bombardement ionique, ce régime de fonctionnant permet d'obtenir une gravure anisotrope si le substrat est polarisé, la sélectivité est faible. En régime de post décharge, la gravure est due uniquement a l'action des atomes réactifs, ce régime fournit une gravure isotrope et tr4s sélective. En jouant sur le rapport cyclique ou la fréquence de modulation on privilégie l'un ou l'autre des régimes, ce qui per- met de passer continuement d'un régime isotrope et sélectif à un régime anisotrope et peu sélectif. Un avantage de la présente invention est donc qu'en faisant varier le rapport cyclique à fréquence donnée en cours de processus, on peut "sculpter" les bords d'attaque de façon souhaitée pour obtenir par exemple une partie supérieure évasée suivie d'une partie profonde raide, ce qui peut être intéressant dans le cas ou l'on veut réaliser des rainures relativement pro- fondes tout en facilitant le recouvrement par des couches ulté- rieures sans provoquer de rupture de couches au niveau des bords de rainures. Cette possibilité selon la présente invention de modifier la sélectivité d'une attaque et le caractère isotrope ou anisotrope de cette attaque uniquement par action sur un paramètre électrique simplifie beaucoup le traitement par rapport au cas de l'art antérieur o ces modifications pouvaient seulement être éventuellement obtenues en modifiant le débit des constituants gazeux du plasma, ce qui était malcommode, peu fiable et entratnait un temps de réponse assez lent. Ainsi, la présente invention, décrite seulement dans le cas d'un mode de réalisation particulier, ouvre une nouvelle voie pour l'utilisation des enceintes à plasma quels que soient les gaz d'attaque constituant le plasma et les matériaux attaqués. D'autre part, tout appareil de formation de plasma peut facilement 4tre modifié pour mettre en oeuvre la présente inven- tion en effectuant selon le cas le hachage par action directe sur le générateur haute fréquence, par action sur la transmission du signal entre ce générateur et l'emplacement o se développe le plasma, ou encore par action sur un paramètre accessoire permet- tant d'interrompre la formation du plasma. REVENDICATIONS 1. Procèdé de gravure d'un matériau tel que du silicium, de la silice ou d'autres composes du silicium, par un plasma dans lequel sont crées des ions et des atomes actifs, caractérisé en ce qu'il consiste a interrompre périodiquement le champ électro- magnétique pendant une durée inférieure au temps de relaxation desdits atomes actifs. 2. Procèd4 de gravure d'un matériau par un plasma fluoré dans lequel sont créés des atomes actifs de fluor, caractérisé en ce qu'il consiste à interrompre périodiquement le champ électromagnétique pendant une durée inférieure au temps de relaxa- tion des atomes actifs de fluor. 3. Procèdé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport cyclique des interruptions est modifié au cours du traitement. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la périodicité desdites interruptions est modifiée au cours du traitement. 5. Procèd4 selon l'une quelconque des revendications 2 a 4, caractérisé en ce que le matériau sur lequel agit le plasma est choisi dans le groupe comprenant Si, SiO2, W, WSi2. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une enceinte a plasma du type classiquement utilisé dans le traitement des matériaux semiconducteurs, et en ce qu'il comprend en outre des moyens pour interrompre périodiquement le champ haute fréquence de création du plasma. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enceinte a plasma est du type revendiqué dans la demande de brevet francais 83/18300.