Brevet FR2784906A1 — publié le 20000428

La présente invention concerne le traitement d'un substrat par un plasma. Plus précisément, la présente invention concerne un appareil à réacteur destiné à créer une source d'un plasma de haute densité pour la pulvérisation de films métalliques et diélectriques sur un substrat. La pulvérisation par un magnétron est un procédé bien connu de dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour la formation de films minces sur des substrats de divers types. La pulvérisation par un magnétron est en général réalisée par création d'un plasma dans une chambre sous vide adjacente à la surface d'une cible de pulvérisation. Le plasma est formé dans un gaz de support introduit dans la chambre à une très faible pression. Un gaz réactif peut aussi être introduit dans la chambre. Un potentiel élec- trique est créé dans la chambre sous vide entre la cible de pulvérisation, qui est habituellement cathodique, et une anode. Le champ électrique créé par le potentiel provoque l'ionisation du gaz de support, avec formation du plasma de cette manière. Un champ magnétique est aussi créé afin qu'il assure le confinement de la décharge dans le plasma. Le champ magnétique piège les électrons si bien que le nombre de collisions entre les électrons et les atomes du gaz de support est accru. Ce phénomène augmente alors la population des ions et renforce le plasma. La pulvérisation par un magnétron commence à être très utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs pour le dépôt de couches de métallisation dans des dispositifs à semi-conducteur. Comme les dimensions des dispositifs à semi-conducteur ont été notablement réduites au cours des années, et comme la dimension des tranches semi- conductrices utilisées pour la fabrication de ces dispositifs a augmenté pendant la même période, les propriétés demandées à une pulvérisation de précision ont augmenté. La pulvérisation de précision nécessite la création et le réglage d'un plasma de haute densité. La présente invention a pour objet un appareil de création et de réglage d'un plasma de haute densité dans une chambre de plasma, destiné à la pulvérisation de films métalliques et diélectriques. Cet objet est atteint au moins en partie grâce à un réacteur à plasma destiné à pulvériser des matériaux métal- liques et diélectriques. Le réacteur comprend une chambre de réacteur de plasma destinée à recevoir un gaz de traitement et en outre à être raccordée à une source de vide. Un magnétron piloté en courant continu est disposé dans la chambre du réacteur. Le magnétron est destiné à supporter une cible de pulvérisation. Une alimentation en courant continu est connectée au magnétron. Un socle mobile de support de substrat, destiné à supporter un substrat, est disposé dans le réacteur et est mobile afin que le substrat soit placé suffisamment près de la cible de pulvérisation pour que les produits formés par la pulvérisation puissent se déposer. Le socle de support de substrat est connecté à une source de premiers signaux à haute fréquence par un boîtier d'adaptation d'impédance ayant un dispositif d'ajustement du déphasage. Pour qu'un plasma de haute densité couplé par induction soit formé, une antenne à haute fréquence, ayant une extrémité de substrat, est disposée autour de la chambre. L'antenne est connectée à une seconde source de signaux à haute fréquence par un boîtier d'adaptation d'impédance. Le réacteur selon l'invention comporte aussi un enroulement électromagnétique qui est placé autour de l'extrémité de substrat de l'antenne à haute fréquence et près de cette extrémité. L'enroulement est connecté à une alimentation en courant continu. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un appareil a réacteur selon l'invention, et la figure 2 est une représentation graphique, dans un système de coordonnées orthogonales, des champs électrique et magnétique des plasmas de haute densité créés par l'appareil selon l'invention. Sur la figure 1, un réacteur à plasma 10 selon l'invention, destiné à créer un plasma de haute densité de l'ordre de 1012 ions par centimètre carré, et à pulvériser des films métalliques et diélectriques sur un substrat, comporte une chambre 12 de réacteur à plasma munie d'une entrée 14 de gaz destinée à recevoir un gaz de traitement dans la chambre 12. Le type de gaz de traitement utilisé dans le réacteur à plasma selon l'invention varie avec le type de traitement à exécuter par le réacteur. Par exemple, on peut utiliser de l'argon pour la pulvérisation d'un métal, mais on peut utiliser de l'oxygène ou de l'azote pour la pulvérisation d'un diélectrique réactif. Comme décrit plus en détail dans la suite, le gaz de traitement introduit dans la chambre de réaction peut être ionisé dans trois régions de plasma (P1, P2 et P3 sur la figure 2) formées dans la chambre 12 par le réacteur 10. En plus de l'entrée 14 de gaz, la chambre 12 comporte aussi un conduit 16 de sortie destiné à raccorder la chambre à une source de vide, telle qu'une pompe à vide 17. Cette source de vide doit avoir des propriétés suffisantes pour créer une faible pression de travail dans la chambre, comprise entre environ 0,1 et 6,7 Pa, qui suffit habituellement pour l'entretien d'un plasma de haute densité de l'ordre de 1012 ions par centimètre carré. Le réacteur comporte en outre un magnétron 18 placé à l'intérieur de la chambre 12 de réacteur près de son extrémité supérieure. Le magnétron 18 est destiné de manière classique à supporter une cible 20 de pulvérisation qui lui est adjacente et qui est connectée à une source de signaux en courant continu (non représentée) qui peut être constante ou pulsée. Le matériau formant la cible 20 peut être choisi parmi tout type de métal utilisé habituellement pour la pulvérisation, y compris l'aluminium, le cuivre, le tantale, le titane ou le tungstène par exemple. Un blindage 22 de masse est disposé à l'intérieur de la chambre autour du magnétron 18 et de la cible 20 de pulvérisation. Le magnétron 18 peut être un magnétron plan statique ou un magnétron rotatif, selon le cas. Un socle mobile 24 de support de substrat, comprenant un dispositif, tel que des pinces, de maintien d'un substrat 26, est disposé dans la chambre 12 près de son extrémité inférieure. Ce socle est mobile de façon continue entre une position inférieure ou basse L et une position supérieure ou élevée H, afin que le substrat 26 qu'il supporte puisse être disposé suffisamment près de la cible de pulvérisation pour qu'une distance convenable entre la cible et le substrat, permettant le dépôt des produits de pulvérisation sur le substrat 26, soit obtenue. Les hommes du métier peuvent noter que la distance comprise entre la cible et le substrat est choisie habituellement d'après les conditions particulières de traitement par un plasma, telles que la pression, le matériau de la cible et le type du magnétron utilisé pour le dépôt par pulvérisation. Un blindage 29 de masse peut être disposé sous le substrat 26 et supporté par le socle 24. Le socle 24 non seulement est mobile de façon continue entre des positions basse et haute, mais aussi est connecté à une première source 28 de signaux à haute fréquence par un boîtier d'adaptation d'impédance 30. Ce boîtier 30 comporte en outre un déphaseur 32. Le déphaseur 32 permet le réglage de l'angle de phase du premier signal à haute fréquence de la source 28 par rapport à un second signal à haute fréquence. La première source 28 peut donner de préférence un signal à haute fréquence de l'ordre de 13,56 MHz. Le cas échéant, le socle 24 peut avoir une configuration permettant le réglage de la température du substrat 26 par formation de passages (non représentés) dans le socle pour la circulation d'un liquide, tel que l'eau, ou d'un gaz, tel que l'hélium. Pour qu'une source de plasma couplée inductivement soit obtenue à l'intérieur de la chambre 12, le réacteur 10 selon l'invention comporte en outre une antenne 34 à haute fréquence disposée autour de la chambre 12. L'antenne 34 peut subir un réglage de température par circulation d'un liquide, tel que de l'eau, ou d'un autre fluide convenable de refroidissement, par des passages de refroidissement (non représentés). L'antenne 34 a une extrémité 36 de substrat et elle est connectée à une seconde source 38 de signaux à haute fréquence, de préférence par un boîtier d'adaptation d'impédance 40. Comme la première source 28, la seconde source 38 peut aussi créer un signal à haute fréquence d'environ 13,56 MHz. L'extrémité 36 de substrat de l'antenne 34 est de préférence disposée approximativement juste au-dessus de la limite supérieure de la plage de déplacement du socle 24. Selon l'invention, un enroulement électromagnétique 42 est disposé autour de l'antenne 34 près de son extrémité 36 de substrat. L'enroulement 42 est connecté à une alimen- tation 44 en courant continu et, grâce à un nombre convenable de spires de l'enroulement et à l'énergie en courant continu qui lui est transmise, il donne un champ magnétique voulu à l'intérieur de la chambre du réacteur. La température de l'enroulement électromagnétique peut aussi être réglée par circulation d'un gaz ou d'un liquide. Les hommes du métier peuvent noter que le champ magnétique créé par l'enroulement 42 peut être réglé par variation de l'énergie en courant continu provenant de l'alimentation 44. On se réfère à la figure 2; dans un ensemble de conditions de fonctionnement, le réacteur selon l'invention peut former jusqu'à trois régions P1, P2 et P3 de plasma. La première région P1 de plasma est créée près du magnétron et elle est sous l'influence du champ magnétique BM et du champ électrique EM. Le second plasma P2 est un plasma de haute densité couplé inductivement et créé juste au-dessus du substrat 26. Le plasma de haute densité couplé inductivement est influencé par le champ magnétique Bp de l'antenne à haute fréquence et le champ magnétique BEC de l'enroulement électromagnétique, ainsi que par les champs électriques ER et EEC. Le plasma couplé inductivement de haute densité de la région P2 permet une circulation uniformisée des espèces réactives sur le substrat 26. Les champs électromagnétiques sont utilisés pour le réglage de la densité du plasma et pour donner des directions de déplacement aux espèces qui se déposent sur le substrat 26. L'ionisation du plasma couplé inductivement est très efficace car elle réduit les pertes d'énergie vers la paroi de la chambre du réacteur. En outre, grâce au refroidissement de l'antenne et à la création des champs magnétique et électrique de l'enroulement électro- magnétique, la température électronique peut être augmentée si bien que la densité des électrons est accrue. Ce phénomène augmente alors la vitesse d'ionisation des espèces neutres métalliques pulvérisées. La troisième région P3 de plasma est adjacente au substrat 26. Cette troisième région P3 est sous l'influence de la polarisation due au déphasage du signal de la première source à haute fréquence par rapport à celui de la seconde source. Un métal peut se déposer par réglage de la polarisation du substrat. Le réacteur selon l'invention peut être utilisé pour le dépôt de couches métalliques dans divers buts. Par exemple, des couches métalliques peuvent être déposées pour la formation d'interconnexions ou de couches barrières dans la fabrication de tranches de circuits intégrés. Le réacteur peut aussi être utilisé pour la formation de couches métalliques d'interconnexions, d'enroulements, de pôles et de blindages dans des têtes inductives, magnétorésistives et magnétorésistives géantes utilisées dans l'industrie des têtes à couches minces. Le réacteur selon l'invention peut aussi être utilisé pour le dépôt de films diélectriques, par exemple de A1203, AN, A12OxNy, TaN, WN et TiN par exemple, par pulvérisation réactive avec un gaz réactif tel que l'azote ou l'oxygène. Les matériaux TaN et TiN sont utilisés avec des couches métalliques dans les industries des semi-conducteurs et des têtes à couches minces pour la formation de couches de diffusion, de barrage et antiréfraction. Des couches diélectriques convenant à l'industrie des couches optiques peuvent aussi être formées avec le réacteur selon l'invention. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Réacteur (10) à plasma destiné à la pulvérisation de films métalliques et diélectriques, le réacteur (10) étant caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre (12) de réacteur à plasma destinée à recevoir un gaz de traitement dans la chambre (12) et à être raccordée à une source de vide (17), un magnétron (18) piloté en courant continu, disposé à l'intérieur de la chambre (12) de réacteur, le magnétron (18) étant destiné à supporter une cible de pulvérisa- tion (20), une source de signaux en courant continu, connectée au magnétron (18), un socle mobile (24) de support de substrat destiné à supporter un substrat (26) disposé à l'intérieur de la chambre (12) de réacteur et mobile afin que le substrat (26) soit placé suffisamment près de la cible (20) de pulvérisation pour permettre un dépôt de produits de pulvérisation sur le substrat (26), une première source (28) de signaux à haute fréquence connectée au socle (24) de support de substrat par l'intermédiaire d'un premier boîtier d'adaptation (30) à haute fréquence ayant un dispositif (32) d'ajustement de déphasage, une antenne (34) à haute fréquence positionnée autour de la chambre (12), l'antenne (34) ayant une extrémité (36) de substrat, une seconde source (38) de signaux à haute fréquence connectée à l'antenne (34) à haute fréquence par un second boîtier d'adaptation (40) à haute fréquence, un enroulement électromagnétique (42) disposé autour de l'antenne (34) près de son extrémité (36) de substrat, et une alimentation (44) en courant continu connectée à l'enroulement électromagnétique (42). 2. Réacteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de signaux en courant continu connectée au magnétron (18) est une source de signaux pulsés en courant continu. 3. Réacteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de signaux en courant continu connectée au magnétron (18) est une source de signaux continus en courant continu. 4. Réacteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le socle (24) de support du substrat est refroidi. 5. Réacteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne (34) est refroidie. 6. Réacteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement électromagnétique (42) est refroidi. 7. Réacteur (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enroulement électromagnétique (42) est refroidi. 8. Réacteur (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le socle (24) de support est refroidi. 9. Réacteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le magnétron (18) est un magnétron rotatif. 10. Réacteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le magnétron (18) est un magnétron rotatif et la source de signaux en courant continu connectée au magnétron (18) est une source pulsée de signaux en courant continu.