Brevet FR2670950A1 — publié le 19920626

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour le traitement de circuits intégrés et d'autres dispositifs à semiconducteur et, plus spécialement, le traitement de recuit ther- mique de ces dispositifs. Le traitement d'une puce, ou d'une pastil Le, de circuit intégré comporte normalement les opérations suivantes. 1 Polymérisation sélective d'une couche photosensible à l'aide d'un faisceau électronique (écriture directe sur la pastille). 2 Ouverture de fenêtres de dopage, utilisant la couche polymérisée comme masque, et enlèvement d'une couche isolante (Si O 2, Si 3 N 4, etc) par gravure. 3 Dopage d'aires sélectionnées du semiconducteur par implantation ionique ou diffusion à l'état solide (opération dite de pré-dépôt). 4 Placement des ions dopant en des sites de substitution (activa- tion électrique de L'agent dopant) par recuit thermique Ceci fait intervenir un traitement thermique non localisé de toute la matière du substrat (pastille) dans un four de diffusion ou un dispositif de recuit thermique rapide (RTA). Si une oxydation sélective est nécessaire, on utilise un faisceau d'oxygène au cours de l'opération 3, après quoi le traite- ment thermique de l'opération 4 crée une liaison covalente pour les ions d'oxygène. Un inconvénient du procédé ci-dessus présenté est que l'étape de recuit prend beaucoûp de temps et peut créer des pro- blèmes, par exemple gauchissement de la pastille. C'est un but de l'invention de produire un procédé de traitement d'une pastille, d'un dispositif à circuit intégré ou d'un autre dispositif à semiconducteur, qui évite la nécessité d'appliquer un traitement de recuit au substrat tout entier. Selon l'invention, il est créé un champ d'hyperfréquences destiné à entourer le dispositif à semiconducteur tandis qu'un faisceau électronique ou un faisceau ionique focalisé est app Liqué au substrat, de sorte que la présence du faisceau électronique ou ionique crée une région conductrice qui augmente l'intensité du champ d'hyperfréquences dans cette région, si bien que le champ d'hyperfréquences intensifié crée un effet d'échauffement local dans le substrat permettant de réaliser une action de recuit locale. Ainsi, selon l'invention, on évite d'avoir à produire un effet de recuit ultérieur, puisque le recuit a lieu en même temps que l'implantation ionique. En ce qui concerne l'application d'un faisceau ionique au substrat, on peut utiliser, pour réaliser une implantation sélec- tive, un faisceau d'ions d'arsenic, de bore, d'antimoine, de gallium ou de phosphore Selon une autre possibilité, on peut employer un faisceau d'ions d'oxygène pour effectuer l'oxydation sélective du substrat, l'action locale de recuit aidant à la création de la liaison covalente. Dans le cas o un faisceau électronique est employé pour effectuer une écriture directe sur le substrat, l'effet de recuit local peut être utilisé avantageusement lorsque, par exemple, l'écriture a lieu sur une couche de verre au silicium, dopée par exemple à l'aide de phosphore ou de bore L'effet de recuit provo- que une migration des ions dopants dans la région o le faisceau électronique frappe le substrat Ceci évite donc d'avoir à préparer une opération de masquage et à effectuer une polymérisation sélec- tive du substrat pour pré-définir des régions d'implantation ionique. Le mécanisme physique-permettant d'obtenir une intensité accrue pour le champ d'hyperfréquences est lié à la présence d'électrons libres, soit du fait de la fourniture d'un faisceau électronique, soit par l'intermédiaire de la présence d'un "nuage" d'électrons secondaires entourant le site d'implantation du fais- ceau ionique Ceci produit une augmentation de la conductivité électrique de la région d'une manière qui augmente la susceptibi- lité ou perméabilité électromagnétique de la région Il a été découvert que l'effet de recuit se produisait sur une large gamme de concentrations des faisceaux ioniques, entre 10 + 12-10 13 et + 16 ions/cm 3 Il a été découvert qu'il existait un seuil minimal pour la concentration du faisceau ionique, en dessous duquel l'effet de recuit local ne se produit pas Le seuil dépend de divers facteurs, par exemple le type d'ion, et peut facilement être trouvé expérimentalement pour n'importe quelle application parti- culière; toutefois, une valeur typique du seuil est un débit -2 énergétique minimal de 30 à 40 W cm La gamme d'hyperfréquences qui est souhaitable selon la présente invention s'étend entre 2 et 4 G Hz Des fréquences plus basses, la limite inférieure étant celle des fréquences ultra- hautes (UHF), peuvent ne pas produire un effet d'échauffement approprié, et des fréquences plus élevées peuvent ne pas produire un effet d'échauffement approprié et, ou bien, être difficiles à produire. Ainsi, selon la présente invention, un échauffement local résulte de l'application conjointe de deux effets physiques: 1) l'interaction directe d'un faisceau focalisé avec un matériau semiconducteur, ce qui produit une très haute densité d'électrons libres; 2) le couplage sélectif d'une amplitude élevée d'hyperfré- quences avec un nuage d'électrons libres. Les conditions imposées à une tache submicronique pour qu'elle produise une résolution élevée ne permettent pas d'obtenir un recuit thermique par la simple utilisation d'un faisceau électronique Ceci est dû à la limitation matérielle entre l'inten- sité et la taille du faisceau (effet de charge d'espace); l'in- vention crée l'énergie optimale nécessaire pour produire un effet local de recuit à l'aide d'un faisceau électronique assisté par des hyperfréquences. L'invention procure les avantages suivants: opération sans masque avec recuit sur place; opération à faible température dans la masse, ce qui élimine la redistribution du profil d'agent de dopage (par rapport à une étape de dopage antérieure); ouverture d'une voie dirigée vers une technologie peu coûteuse des dispositifs multicouches (transistors empilés). La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner-une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: La figure 1 illustre un appareil permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention; et la figure 2 illustre le mécanisme d'interaction des hyperfréquences avec un faisceau électronique selon le procédé de l'invention. L'intérêt majeur qu'il y a à utiliser des hyperfréquences par comparaison à d'autres sources d'énergie est que l'énergie peut être confinée dans un petit volume o des paires éLectron-trou sont créées par un courant électronique incident La physique du phéno- mène repose sur l'énorme augmentation localisée de la conductivité du matériau qui fait suite à la création d'un nuage d'électrons libres par un faisceau électronique ou ionique fortement focalisé. L'énergie du courant électronique incident peut être considérée comme négligeable par rapport à l'énergie d'hyperfré- quences appliquée L'augmentation locale de la conductivité focalise les lignes de flux du champ d'hyperfréquences, comme représenté sur la figure 2. La tension accélératrice définira le volume du point chaud, la vitesse de balayage commandera la taille du point, l'intensité du faisceau et la puissance incidente des hyperfré- quences détermineront la température du point chaud. Les possibilités d'ajustement du courant permettent d'atteindre une température telle que l'on puisse commander la vaporisation des aires submicron ques du matériau semiconducteur. Le fait que la puissance d'hyperfréquencessoit ajustable à un degré élevé permet d'exercer une très bonne commande sur la température du substrat Ceci permettra un post-traitement par RTA normalisé s'il est nécessaire d'éliminer des défauts de recristal- lisation. On se reporte maintenant à la figure 1 L'appareil com- prend un microscope électronique à balayage possédant une chambre de traitement ( 2) qui contient un support pour pastille de silicium (non représenté) La chambre ( 2) à l'ensemble canon électronique d'un microscope électronique à balayage ( 4) possédant une lentille de focalisation ( 6) qui est disposée au-dessus de la chambre ( 2). Le microscope comporte une alimentation électrique de tension élevée, un dispositif de chauffage de filament, et une alimen- tation électrique de polarisation de cylindre de Wehnelt Un dispositif d'application de vide est couplé au canon à électrons et comprend une colonne de pompage ( 8) et une pompe à diffusion ( 10) Sont également prévues une soupape d'isolation ( 12), une soupape de pré vidage ( 14), une soupape de fuite d'air ( 16), une soupape de vide poussé ( 18) et une pompe de prévidage ( 20) Un indicateur de vide ( 22) est également prévu Un dispositif de traitement de signaux vidéo et un tube cathodique sont également prévus (mais non représentés). Les hyperfréquences sont appliquées à la chambre de trai- tement depuis un générateur d'hyperfréquences ( 24), qui produit des signaux appartenant à la région de 2 à 4 G Hz, via un ensemble guide d'onde quart d'onde ( 26) couplé par l'intermédiaire d'un ensemble de couplage ( 28), lequel comporte des éléments d'accord ( 30), à la chambre de traitement d'une manière connue. Dans un exemple, on emploie les conditions suivantes. Faisceau électrique Taille: 50-1 pm Tension:30 k V Intensité: 10-8 A Vitesse de balayage: 2,5 cm/s Hyperfréquences Puissafnce: 30 W Fréquence: 2,45 GH La présente invention peut être employée dans d'autres applications, énumérées à titre d'exemples ci-dessous. a) Diffusion en phase liquide Le coefficient de diffu- sion en phase liquide est 10 fois supérieur à celui de l'état solide Avec l'invention, on réduit fortement le temps de diffu- sion, jusqu'à un point qui peut être considéré comme donnant un recuit instantané, par comparaison avec la vitesse de balayage du faisceau. b) Oxydation induite par un faisceau focalisé assisté par hyperfréquences La réaction chimique d'un agent oxydant avec le substrat, qui est associée avec Le faisceau focalisé assisté par hyperfréquences (MAFB), produit une oxydation localisée Comme précédemment indiqué, la commande du faisceau focalisé conduira à une écriture directe par oxydation submicronique (par exemple "Submicronics Locos"). c) Trempe L'application de la technique conduira à une trempe plus ajustable que celles des techniques laser et électro- nique La raison de ceci est que le gradient de température solide- liquide présente une réduction très importante en raison de l'effet d'échauffement dû à l'énergie d'hyperfréquences au voisinage de la région liquide, ce qui entraîne une réduction de la migration des dislocations et des défauts vers la région liquide. d) Possibilités RTA La technique de l'invention peut être utilisée pour une opération de recuit thermique rapide iso- therme (IRTA), en offrant les avantages suivants: atteinte de températures plus élevées du fait que la technique peut être exécutée sous vide, durée de recuit pouvant être diminuée, propreté et souplesse. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limita- tif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement d'un dispositif à semiconduc- teur, caractérisé en ce qu'on crée un champ d'hyperfréquences pour entourer Le dispositif à semiconducteur tandis qu'on app Lique un faisceau ionique ou électronique foca Lisé au substrat du disposi- tif, de sorte que La présence du faisceau électronique ou ionique crée une région conductrice qui augmente, dans cette région, L'intensité du champ d'hyperfréquences, si bien que Le champ d'hyperfréquences intensifié crée un effet d'échauffement loca L dans Le substrat permettant de réa Liser une action Loca Le de recuit. 2 Procédé se Lon La revendication 1, caractérisé en ce que Le dispositif à semiconducteur comprend une pasti L Le portant des circuits intégrés. 3 Procédé selon La revendication 1, caractérisé en ce que Le faisceau ionique comprend un faisceau d'ions d'arsenic, de bore, d'antimoine, de gallium ou de phosphore permettant de doper Le substrat. 4 Procédé se Lon La revendication 1, caractérisé en ce que Le faisceau ionique comprend un faisceau d'ions d'oxygène per- mettant d'oxyder Le substrat. Procédé se Lon La revendication 1, caractérisé en ce que Le faisceau électronique est emp Loyé pour écrire directement sur une couche dopée de matière, de façon à provoquer une migration d'ions vers des régions loca Lement chauffées. 6 Procédé se Lon La revendication 1, caractérisé en ce que La concentration du faisceau d'ions est comprise entre 10 12 et + 16 3 ions/cm 7 Procédé se Lon La revendication 1, caractérisé en ce que La fréquence des hyperfréquences est comprise entre 2 et 4 G Hz. 8 Apparei L de traitement d'un dispositif à semiconduc- teur, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen ( 24) servant à pro- duire un champ d'hyperfréquences destiné à entourer Le dispositif à semiconducteur, un moyen ( 4) servant à produire un faisceau élec- tronique ou ionique, et un moyen ( 6) servant à focaliser le fais- ceau sur le substrat, la disposition générale étant telle qu'un champ d'hyperfréquencesintensifié est créé dans la région du fais- ceau de façon à provoquer une action locale de recuit dans le substrat. 9 Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de production comprennent un microscope électro- nique à balayage ( 4, 6) possédant une chambre de traitement ( 2) destinée à recevoir le substrat, un générateur d'hyperfréquences ( 24) et un moyen guide d'onde ( 26, 28) couplant le générateur au microscope dans la région de la chambre de traitement.