Brevet FR2640078A1 — publié le 19900608

Procédé de dépot de nitrure de silicium, dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, et application dudit procédé à la fabrication de capacités hyperfréquences L'invention se rapporte à un procédé de dépôt de nitrure de silicium, à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé et à une application dudit procédé à la fabrication de capacités hyperfréquences. Plus précisément le procédé de l'invention est un procédé de dépôt par pulvérisation cathodique. La pulvérisation cathodique est un procédé de dépôt sous vide fonctionnant à froid, en plasma luminescent, dans un gaz maintenu à pression réduite (10 à 102 Pascals). Il permet de déposer tous les types de matériaux, simples ou composés, réfractaires ou non, alliés ou non, conducteurs ou diélectriques sur tous les types de substrats conducteurs ou isolants, qui acceptent une mise sous vide et un échauffement (60 à 3000C). Le matériau à déposer, appelé matériau cible, est introduit dans une enceinte à vide, sous forme d'une plaque de quelques millimètres d'épaisseur et de dimension sensiblement égale à celle du porte-su#bstrat. Cette cible est fixée sur une électrode (la cathode) qu'on porte à une tension alternative de 1 à 3 kV.Une deuxième électrode (l'anode) est disposée parallèlement à la cible, à une distance de quelques centimètres. Si la pression résiduelle dans l'enceinte est comprise entre 12 Pascals et 1 Pascal, le champ électrique créé entre les deux électrodes provoque l'ionisation du gaz résiduel. Au même moment, un courant électrique s'établit entre les deux électrodes ; le gaz résiduel, qui est devenu conducteur, contient alors - des électrons, qui sont attirés par l'anode, - des ions positifs qui sont attirés par la cible (la cathode). Si on place une pièce devant la cible, on observe que cette pièce se recouvre progressivement d'une couche du même matériau que celui de la plaque constituant la cible. Ce dépôt est dû à la condensation d'atomes provenant de la cible, expulsés de celle-ci sous lteffet de l'impact d'ions positifs contenus dans le gaz luminescent et attirés par la cible du fait de sa polarisation négative. En ce qui concerne le dépôt de nitrure de silicium sur des substrats, il existent quelques documents de l'art antérieur qui traitent de ce sujet, ainsi - un article intitulé "Reactive sputtering charactéristics of silicon in an Ar-N2 mixture" de A. Okamoto et T. Serikawa, paru dans la revue "Thin solid film" (nO 137, 1986, pages 143-151), décrit le changement intervenant dans les caractéristiques de pulvérisation cathodique de silicium lorsque de l'azote est admis dans de l'argon pendant la décharge - un article intitulé "Surface coatings for radiative cooling application : silicon dioxide and silicon nitride made by reactive rf-sputtering" de T.S. Eriksson, S.J. Jiang et C.G.Granqvist, paru dans la revue "Solar energy material" (nO 12, 1985, pages 319-325), décrit des dépôts de dioxide de silicium et de nitrure de silicium produits par pulvérisation cathodique haute fréquence de silicium en présence d'oxygène et d'azote - un article intitulé "Properties of silicon nitride thin films obtained by reactive sputtering" de Witold Posadowski, paru dans la revue "Thin solid films" (nO 69, 1980, pages 149-155), décrit la dépendance des propriétés des films de nitrure de silicium par rapport aux paramètres de pulvérisation cathodique dans un mélange argon-azote. D'autre part, les solutions connues pour des dépits obtenus par "C.V.D." ("Chemical Vapor Deposition"), ou "PE-CVD" ("Chemical Vapor Deposition, Plasma Enhanced") nécessitent l'emploi de gaz très combustible donc dangereux (par exemple le silane Si H4) t imposant des installations de stockage et de distribution de.gaz onéreuses. L'invention a pour objet de réaliser un dépôt de nitrure de silicium en évitant la présence de gaz occlus dans la couche déposée, tout en améliorant la qualité du diélectrique obtenu par rapport aux procédés de l'art connu, et en optimisant la stoechiométrie du composé formé. L'invention propose à cet effet un procédé de dépôt de nitrure de silicium par pulvérisation cathodique, caractérisé par l'utilisation d'une cible en nitrure de silicium en présence d'un seul gaz réactif et qui entretient la décharge électroluminescente. Avantageusement le gaz réactif est de l'azote. L'invention propose, en outre un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, qui comprend une station de dépot fixe maintenue pendant le dépôt à une température constante, et un dispositif d'injection de gaz réactif autour de la cible. Plus précisément ce dispositif-comprend : - un sas de chargement et de déchargement couple à une première pompe - un réacteur dans lequel on trouve une cible placée dans le champ magnétique obtenu grâce à des aimants permanents une première électrode reliée à cette cible alimentée par un générateur haute fréquence une seconde électrode porte substrat, disposée à proximité de canalisations de refroidissement un anneau percé de trous alimenté en azote, de manière à réaliser une injection de ce gaz en direction du substrat à recouvrir une seconde pompe reliée au réacteur. Avantageusement la température à l'intérieur du réacteur est d'environ 2000C, le débit d'azote étant compris entre 0,1 et 20 Pascals, la densité d'énergie de la cible étant comprise entre 2 et 2,5 Wcm Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention - la figure 2 illustre une capacité hyperfréquence obtenue par le procédé selon l'invention. Le procédé de l'invention est un procédé de pulvérisation cathodique dans lequel on utilise une cible en nitrure de silicium (Si3 N ) et non plus une cible en silicium comme dans les procédés de l'art 4 connu. De plus pour éviter la présence de gaz occlus dans la couche déposée, tels qu'oxygène ou hydrogène, le procédé de l'invention utilise un plasma réactif obtenu par de l'azote pur. Ainsi, contrairement aux procédés de l'art connu pour amorcer et maintenir la décharge, le dépôt n'est pas réalisé avec un gaz vecteur neutre tel que l'argon, le xénon ou l'hélium, additionné d'un gaz réactif tel que l'azote ou l'ammoniaque intervenant dans la réaction physico-chimique de manière à permettre la formation du composé de, nitrure de silicium mais uniquement avec de l'azote. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention, tel que représenté à la figure 1, comprend - un sas 10 de chargement et de déchargement des substrats 20, en alumine polie par exemple, couplé à une première pompe 11, rotative par exemple, munie d'un orifice d'extraction 12 - un réacteur 13 ou chambre de pulvérisation dans lequel on trouve une cible 14, collée ou soudée sur un support 15 métallique, et placée dans le champ magnétique obtenu grâce à des aimants permanents 16 une première électrode 17 reliée à cette cible 14 alimentée par un générateur HF 18 (haute fréquence) une seconde électrode 19,pour porter les substrats 20, disposée à proximité de canalisations de refroidissement 21, et reliée au générateur HF 18 un anneau 23, percé de trous, alimenté en azote 24 de manière à réaliser une injection de ce gaz dans le sens des flèches 25 en direction du substrat 20 à recouvrir un cache 26 escamotable (rotation 27), réalisé par exemple en inox ou en molybdène, permettant lors de la mise en route un prédépôt de nitrure de silicium sur celui-ci jusqutà l'obtention à l'intérieur du réacteur 13 de la température désirée correspondant à un équilibre thermique du plasma, - une seconde pompe 28, cryogénique par exemple, reliée au réacteur 13 par une vanne d'étranglement 29 et munie d'un orifice d'extraction 30. Sur cette figure 1, le substrat 20 à recouvrir est déplacé par un bras manipulateur, non représenté, du porte substrat 31, situé dans le sas de chargement 10 isolé du réacteur 13 par une porte 22, vers la seconde électrode 19. Les flèches 24, 25, 32 figurent les différents flux gazeux. Le réacteur 13 présente une station de dépôt (électrode 19 porte substrat) fixe qui est maintenue pendant le dépôt à une température constante Les aimants permanents 16 permettent d'augmenter la densité ionique du plasma et par conséquent de baisser le temps de dépôt sur le substrat 20. Dans un exemple de fonctionnement on a considéré - un débit d'azote compris entre 0,1 Pascal et 20 Pascals - une densité d'énergie appliquée sur la cible 14 comprise entre 2 et 2,5 Wcm#2 - une cible dont la stoechiométrie N/Si s 0,65 - un générateur HF 18 délivrant une tension de 1000 V à 13,56 MHz, - une seconde électrode directement reliée à la masse on a ainsi obtenu un dépot de nitrure de silicium ayant les caractéristiques suivantes - indice de réfraction :s 1,95 - stoechiométrie : N/Si s 0,91 - rigidité diélectrique : s 8 x 106 Vcm 1 ; - une permittivité relative : & r S 6,0 (à la fréquence de 2 GHz) - une tangente de pertes : tg# g s 2 x 10 3 (à la fréquence de 2 GHz). Le procédé de l'invention peut être utilisé, notamment, pour la fabrication de capacités "overlay" ou de type MIM (Métal-Isolant-Métal) obtenues par des dépits en "sandwich" sur un support 35 de plusieurs couches minces, tel que représenté sur la figure 2 la couche diélectrique médiane 34 étant déposée sur un substrat 35 selon le procédé de l'invention après une première couche métallique 36 et avant une seconde couche métallique 37 permettant de réaliser les deux électrodes de la capacité. Le procédé de l'invention peut également être utilisé pour réaliser une couche de passivation sur un circuit intégré par exemple de manière à réaliser ainsi une protection mécanique et électrique. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi la pompe cryogénique peut être remplacée, tout aussi bien, par une pompe turbomolêculaire. REVENDICATIONS 1/ Procédé de dépôt de nitrure de silicium par pulvérisation cathodique, caractérisé en ce qu'on utilise une cible (14) en nitrure de silicium en présence d'un flux (25) de gaz réactif. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz réactif est de l'azote. 3/ Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une station de dépôt (19) fixe maintenue pendant le dépôt à une température constante, et un dispositif d'injection (23) de gaz réactif autour de la cible. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend - un sas (10) de chargement et de déchargement couplé à une première pompe (11) - un réacteur (13) dans lequel on trouve une cible (14) placée dans le champ magnétique obtenu grâce à des aimants permanents (16) une première électrode (17) reliée à cette cible (14), alimentée par un générateur HF (18) une seconde électrode (19) porte substrat, disposée à proximité de canalisations de refroidissement (21) un anneau (23) percé de trous alimenté en gaz réactif (24), de manière à réaliser une injection de ce gaz en direction du substrat (20) à recouvrir - une seconde pompe (28) reliée au réacteur (13). 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un cache (26) escamotable (rotation 27) permettant lors de la mise en route un prédépôt sur celui-ci jusqu'à ltobtention de la température désirée correspondant à un équilibre thermique du plasma. 6/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la température à l'intérieur du réacteur est d'environ 2000C. 7/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le débit d'azote est compris entre 0,1 et 20 Pascals. 8/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la densité d'énergie de la cible est comprise entre 2 et 2,5 Wcm 2. -9/ Application du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, à la fabrication de capacités hyperfréquences.