Brevet FR2795867A1 — publié le 20010105

PROCCEDÉ D'IMPLANTATION D' FIÉLIOM La présente invention concerne de façon générale la fabrication de circuits intégrés. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'implantation d'hélium qui peut en particulier être utile à la formation de cavités de piégeage d'impuretés. Lors du fonctionnement de composants électroniques réa lisés dans un substrat semiconducteur, typiquement en silicium, la présence d'impuretés dans le substrat affecte les performances des composants. En effet, des anomalies de fonctionnement peuvent provenir de la migration, sous l'effet des diverses tensions directes et/ou inverses, de telles impuretés. Les impuretés sont généralement des ions de métaux de transition (par exemple, l'or, le cuivre et/ou le nickel) présents dans le dispositif, et/ou des siliciures métalliques formés en présence de tels métaux et du silicium du substrat. Il existe diverses techniques de piégeage des impuretés dans des cavités préalablement formées à cet effet. Un procédé de formation de cavités dans un substrat semiconducteur consiste à implanter dans ce substrat des ions d'un gaz rare puis à provoquer l'évaporation du gaz implanté. Il se forme ainsi des cavités ou pièges (getters) propres à piéger des ions positifs d'impuretés métalliques susceptibles de se déplacer pendant le fonctionnement des composants électroniques. Les cavités doivent notamment être permanentes pour remplir leur rôle pendant toute la durée de vie du dispositif. Dans les procédés classiques, on utilise des gaz rares tels que l'argon, le krypton ou le néon. Toutefois, l'utilisation de tels gaz présentent plusieurs inconvénients. En effet, lors de leur implantation, du fait de leur masse atomique élevée, ils provoquent la formation de défauts dans le réseau cristallin du substrat. De tels défauts, qui peuvent aller jusqu'à provoquer une amorphisation du substrat, imposent des gardes latérales supplémentaires pour éviter d'affecter les dispositifs voisins. I1 est alors nécessaire d'effectuer un compromis entre de telles gardes et la nécessité de placer les cavités au plus près des zones actives. En outre, il s'est avéré que les cavités formées à par tir de l'implantation d'argon, de krypton ou de néon présentent un contour régulier. Or, l'absorption d'impuretés est améliorée si les cavités présentent un contour irrégulier dit à facettes et un diamètre moyen relativement élevé. Une telle forme à facettes correspond en effet à une énergie de surface particulièrement faible qui facilite l'absorption d'impuretés. Par ailleurs, plus une cavité est grande plus elle peut retenir une quantité impor tante d'impuretés. On a déjà proposé d'utiliser des éléments plus légers tels que l'hélium, ce qui diminue considérablement les risques d'amorphisation du substrat. En outre, le silicium étant très perméable à l'hélium, les cavités seront facilement vidées. On a déjà étudié en laboratoire les cavités formées à partir d'une implantation d'hélium qui se sont avérées parti culièrement avantageuses. En effet, elles présentent une forme générale elliptique à facettes, des diamètres relativement impor tants, et une durée de vie relativement importante par rapport aux cavités obtenues à partir de l'implantation de néon, d'argon ou de krypton. Toutefois, l'implantation industrielle d'hélium pose plusieurs problèmes. - L'énergie d'ionisation de l'hélium (24,6 eV) est particulièrement élevée. Le potentiel de polarisation dans la chambre d'ionisation d'un implanteur, qui doit couramment être de l'ordre de quatre fois l'énergie d'ionisation, est donc de l'ordre de 100 V au lieu d'environ 60 V pour l'argon dont l'énergie d'ionisation est 15,7 eV. - Même quand l'énergie d'ionisation est atteinte, le pourcentage d'hélium ionisé reste faible et instable. Le faisceau d'ions hélium est donc peu intense et les opérations d'implantation sont longues, - L'hélium étant très léger et une quantité importante d'hélium non ionisé devant être évacuée, les pompes cryogéniques prévues dans l'implanteur doivent fonctionner en régime maximal pour arriver à le pomper et ont tendance à chauffer alors que ces pompes doivent rester particulièrement stables en température, aux environs de -263 C (10 K). Les opérations de maintenance liées à leur refroidissement sont particulièrement longues et coûteuses, d'autant que s'ajoutent des opérations complexes de nettoyage (enlèvement des espèces piégées). Ces divers inconvénients ne permettent pas d'obtenir de procédé industriel fiable et facilement reproductible d'implanta tion d'hélium et de formation de cavités à partir de cette implantation d'hélium, d'autant plus que pour la formation de cavités, il faut implanter des doses d'hélium importantes, supé rieures à 5.1016 atomes/cm2. On a déjà proposé dans "Microstructural Properties of Helium Implanted Void Layers in Silicon as Related to Front-Side Gettering" publié en février 1996 dans The Electrochimical Society, Inc. (Vol 14B, N 2 p. 725-735) d'implanter de l'hélium à partir d'un gaz source composé de 90% d'argon et 10% d'hélium. D'après cet article, la composition susmentionnée est critique pour obtenir un courant de faisceau acceptable. Toutefois, il s'avère qu'avec de telles proportions, on ne peut pas atteindre des durées d'implantation industriellement acceptables si on veut atteindre les doses indiquées ci-dessus. La présente invention vise donc à prévoir un nouveau procédé d'implantation d'hélium. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé d'implantation d'hélium dans un substrat semiconducteur, consistant à ajouter à l'hélium, dans la chambre d'ionisation d'un implanteur, une proportion minoritaire d'au moins un autre gaz inerte. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz inerte est de l'argon. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'argon est présent dans une proportion volumique comprise entre 2 et 11 %. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les proportions volumiques en hélium et en argon sont respec tivement de 95 et 5 %. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de mise en oeuvre particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec la figure jointe. La figure représente schématiquement un dispositif d'implantation classique. Un gaz provenant d'un réservoir 1 est injecté dans une chambre d'ionisation 2. Des électrons sont libérés par un filament 3 polarisé à un potentiel U1 par rapport aux parois de la chambre et provoquent l'ionisation du gaz présent dans la chambre 2. La chambre 2 est pourvue d'une ouverture 4 de faible dimension placée en regard d'une ouverture homologue 5 se trouvant dans une électrode 6, les parois de la chambre étant polarisées à un potentiel U2 par rapport à l'électrode 6. Des particules ionisées contenues dans la chambre 2 sont donc extraites de celle-ci et accélérées. L'ouverture 5 correspond à l'entrée d'un séparateur de masse 7 vers lequel est envoyé un faisceau d'ions 8. Le séparateur 7 comporte un tunnel de déviation dans lequel un champ magnétique dévie les différentes particules constituant le faisceau de gaz ionisé 8 et permet de sélectionner l'espèce qui sera déviée de façon à atteindre la sortie 9 du séparateur 7. Des pompes cryogéniques 10 assurent l'élimination d'éléments non ionisés sortant de la chambre 2 et des espèces parasites qui n'atteignent pas la sortie 9. Depuis la sortie 9, la seule espèce positive restante est injectée dans une chambre 11. Généralement, le faisceau sortant du séparateur 7 subit une post -accélération entre la sortie 9 et la chambre 11. La chambre 11 comprend un filament 12 émettant des électrons vers une cible 13 en un matériau ayant un fort coeffi cient d'émission secondaire d'électrons, par exemple du graphite. Le faisceau de sortie du séparateur 7 subit ainsi une "douche d'électrons" dont l'effet est essentiellement de compenser la charge positive importante du faisceau et d'éviter un élargissement du faisceau. A la sortie de la chambre 11, le faisceau irradie la surface d'un substrat de silicium 14. Généralement, des zones d'implantation sont délimitées à l'extérieur des zones où vont être (ont été) formés des dispositifs par un masque typiquement en oxyde de silicium. Par exemple, le masque est ouvert au voisi nage de lignes de découpe prévues entre deux dispositifs à la surface du substrat 14. En l'absence de la douche à électrons, le faisceau fortement chargé positivement risquerait de percer l'oxyde de masquage et d'atteindre le substrat 14 en des emplacements indésirables. Les inconvénients de l'utilisation d'un implanteur du type ci-dessus pour implanter de l'hélium ont été rappelés précédemment. Pour éviter au moins certains de ces inconvénients, la présente invention propose de ne pas utiliser d'hélium pur comme gaz source, mais d'ajouter à l'hélium au moins un autre gaz inerte dans une proportion minoritaire déterminée. Selon un mode particulier de mise en oeuvre de la présente invention, le gaz ajouté est de l'argon. Les expériences effectuées par la demanderesse ont montré qu'un ajout d'argon en faible proportion est avantageux à plusieurs titres. Tout d'abord, dans la chambre d'ionisation, l'ionisa tion de l'argon (dont l'énergie d'ionisation, égale à 15,7 eV, est inférieure à celle de l'hélium) stimule celle de l'hélium qui s'ionise en plus grande proportion et de façon plus reproduc tible. Le débit du faisceau 8 augmente et la proportion d'hélium non ionisé sortant de la chambre 2 diminue. I1 en résulte une réduction de l'échauffement des pompes cryogéniques qui ont moins d'hélium non ionisé à pomper. De plus, la masse de l'argon étant pratiquement dix fois plus élevée que celle de l'hélium (39,9 contre 4,0 g/mol), ces deux éléments sont facilement séparables dans le séparateur 7. L'utilisation d'argon en faible proportion permet de diminuer de façon importante la consommation d'hélium. En pratique, la quantité d'hélium pur nécessaire pour effectuer selon un procédé classique une implantation permet d'en réaliser plus de 50 en présence d'argon, cette amélioration dépendant des proportions volumiques du mélange. Selon la présente invention, la proportion volumique d'argon dans le mélange doit être comprise entre 2 et 11 %. En effet, pour des concentrations en argon supérieures à 11 %, bien que le débit en hélium se stabilise, il demeure trop faible ce qui impose des temps d'implantation toujours trop élevés. Pour des concentrations en argon inférieures à 2 %, tout se passe comme si l'hélium était seul. De préférence, le mélange est composé exclusivement d'hélium et d'argon dans des proportions volumiques complémentai res de 90 à 98 et 10 à 2 %. Les conditions optimales sont obtenues pour un mélange hélium-argon de l'ordre de 95/5 %. L'augmentation de l'intensité du faisceau d'hélium, due à la présence d'argon, entraîne une réduction importante du temps de traitement. Par exemple, pour un mélange de 95 % d'hélium et 5 % d'argon, et pour des énergies d'implantation comprises entre 40 et 160 keV, on obtiendra des densités de cavités de l'ordre de 109/cm3 après une implantation d'une durée comprise entre 50 minutes et une heure. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la présente invention a été décrite à titre purement illustratif dans le cas particulier d'une implan- tation simple face. Toutefois, les avantages tirés de l'utili sation d'un mélange hélium-argon dans les proportions exposées précédemment sont également exploitables dans des procédés d'implantation double face. REVENDICATIONS 1. Procédé d'implantation d'hélium dans un substrat semiconducteur (14), caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter à l'hélium, dans la chambre d'ionisation (2) d'un implanteur, une proportion minoritaire d'au moins un autre gaz inerte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz inerte est de l'argon. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'argon est présent dans une proportion volumique comprise entre 2 et 11 s. 4. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les proportions volumiques en hélium et en argon sont respec tivement de 95 et 5 %.