Brevet FR2871812A1 — publié le 20051223

Implanteur ionique fonctionnant en mode plasma pulsé La présente invention concerne un implanteur ionique fonctionnant en mode plasma pulsé. Le domaine de l'invention est celui des impianteurs ioniques en opérant mode immersion plasma. Ainsi, l'implantation ionique d'un substrat consiste à l'immerger dans un plasma et à le polariser en tension négative, de quelques dizaines de Volts à quelques dizaines de kilovolts (généralement moins de 100 kV), ceci de façon à créer un champ électrique capable d'accélérer les ions du plasma vers le substrat. La profondeur de pénétration des ions est déterminée par leur énergie d'accélération. Elle dépend d'une part de la tension appliquée au substrat et d'autre part de la nature respective des ions et du substrat. La concentration d'atomes implantés dépend de la dose qui s'exprime en nombre d'ions par cm2 et de la profondeur d'implantation. Pour des raisons liées à la physique des plasmas, il se crée, en quelques nanosecondes après l'application de la tension, une gaine ionique autour du substrat. La différence de potentiel responsable de l'accélération des ions vers le substrat se retrouve aux bornes de cette gaine. La croissance de cette gaine en fonction du temps suit l'équation de 20 Child-Langmuir: 4 "2 Vo 3/2 Je = Eo 9 0\4, S2 où : jc: densité de courant, Eo: permitivité du vide, e: charge de l'ion, M: masse de l'ion, Vo: différence de potentiel au travers de la gaine, et s: épaisseur de la gaine. En stipulant que la densité de courant est égale à la charge traversant la limite de la gaine par unité de temps, ds/dt représente la vitesse de déplacement de cette limite: ds 2 so. uo dt9 2 s Expression dans laquelle so vaut: 1/2 2s0V0 so = e.no étant entendu que uo = (2eVo / M) est la vitesse caractéristique de l'ion et que no est la densité du plasma. L'épaisseur de la gaine est liée principalement à la tension appliquée, à la densité du plasma et à la masse des ions. L'impédance équivalente du plasma qui conditionne le courant d'implantation est directement proportionnelle au carré de l'épaisseur de gaine. Le courant d'implantation décroît donc très rapidement lorsque la gaine augmente. Au bout d'un certain laps de temps, il est nécessaire de procéder à une réinitialisation. Ceci s'avère pratiquement indispensable lorsque la gaine atteint les parois de l'enceinte stoppant ainsi le mécanisme d'implantation. Afin de réinitialiser le système, la quasi-totalité des fabricants d'implanteurs arrête la haute tension sur le substrat tout en maintenant le plasma allumé. Il faut donc disposer d'un générateur pulsé qui produit des impulsions de haute tension. Par ailleurs, l'implantation nécessite une énergie d'accélération la plus stable possible et, par conséquent, il convient de satisfaire aux spécifications suivantes: - temps de montée et de descente inférieurs à 1 ps, - stabilité de la haute tension lors de l'impulsion, - courant instantané très important, de 1 à 300 A, - capacité à supporter des arcs dans le plasma. L'implantation ionique en mode immersion plasma présente un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, les alimentations haute tension pulsées sont très 30 coûteuses, souvent fragiles et conditionnent directement la qualité de l'implantation réalisée. Ensuite, la présence continue du plasma dans l'enceinte donne lieu à des effets secondaires indésirables: - génération de particules, - apport thermique au substrat, - agression de l'enceinte en générant des risques de contamination métallique des pièces traitées, et - création d'effets de charge, particulièrement gênants dans le cas des applications microélectroniques. Afin de réduire ces effets secondaires, la société VARIAN a proposé un procédé à plasma pulsé dit PLAD (pour le vocable anglais PLAsma Doping). Ce procédé est présenté dans deux articles de la revue Surface and Coatings Technology n 156 (2002) Proceedings of the Vlth International Workshop on Plasma-Based Ion Implantation (PBII 2001), Grenoble, France, 25-28 June, 2001 publiée par Elsevier Science B.V. : S.B. Felch et al. : "Plasma doping for the fabrication of ultra shallow junctions", pages 229-236; - D. Lenoble et al. : "The fabrication of advanced transistors with plasma doping", pages 262-266. Ce procédé consiste lui aussi à polariser le substrat avec une haute tension pulsée. Toutefois, le champ électrique créé entre le substrat et une électrode à la masse située en vis-à-vis permet de pulser le plasma. Les lignes de champ autour du substrat permettent l'accélération et l'implantation des ions. Dans ce procédé, le plasma pulsé permet de s'affranchir d'une partie des effets secondaires précédemment décrits mais les contraintes liés à l'usage d'un générateur d'impulsions haute tension sont toujours présentes. De plus, les caractéristiques du plasma ne peuvent être disjointes de la tension de polarisation. De ce fait, la machine est très peu versatile: elle présente une gamme de tension d'accélération réduite et il est toujours difficile d'implanter des espèces peu plasmagènes. D'un autre côté, le document US 5 558 718 enseigne un appareil et une méthode d'implantation ionique à source pulsée. Cet appareil d'implantation ionique est dépourvu de générateur d'impulsions haute tension. Il fait appel à une source de plasma pulsée et à une tension constante appliquée à la cible par une source de puissance. Dans le cas de mise en oeuvre de grandes cibles nécessitant des courants importants, un circuit à haute capacité est monté en parallèle avec cette source de puissance. Ce circuit présente un certain nombre de limitations. Tout d'abord, il consomme beaucoup d'énergie. Ensuite, il doit être conçu de façon à être adapté au volume de la cible à ioniser. Enfin, la constante de temps de ce circuit parallèle doit être supérieure à la durée de l'impulsion issue du générateur. L'invention se propose d'apporter une amélioration à cette situation. Selon l'invention, un implanteur ionique comporte une source plasma pulsée, un plateau porte substrat et une alimentation de ce plateau; de plus, il comporte une capacité montée en aval de cette alimentation plateau et reliée directement à la masse. Selon un premier mode de réalisation, cette alimentation du plateau comporte une source de tension continue montée en série avec une impédance de charge. Dans ce cas, il comprend des moyens pour que la durée de l'impulsion plasma émise par cette source de plasma pulsée soit comprise entre 15 ps et 15 500 ps. De préférence, l'impédance est une résistance qui est comprise entre 100 et 1000 ka. De même, la capacité a une valeur comprise entre 5 nF et 5 F. L'invention vise également un procédé d'implantation mettant en oeuvre un tel, procédé comportant de manière périodique la répétition des quatre phases suivantes au moins: - une phase de charge de la capacité par la source de tension jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge, une phase d'allumage du plasma, - une phase de décharge de la capacité, et - suite à un délai prédéterminé, une phase d'extinction du plasma. Selon un second mode de réalisation, l'alimentation du plateau est une source de courant continu. Dans ce cas, l'implanteur comprend des moyens pour que la durée de 30 l'impulsion plasma émise par la source de plasma pulsée soit comprise entre 15 ps et 500 ps. Avantageusement, la capacité a une valeur comprise entre 5 nF et 5 F. Un procédé d'implantation correspondant à ce deuxième mode de réalisation est identique à celui défini ci-dessus en relation avec le premier mode 35 réalisation. Généralement, ces procédés prévoient une durée d'allumage du plasma comprise entre 1 s 10 ms. En outre, ces procédés comportent, suite à la phase d'extinction, une phase d'attente. Par ailleurs, le plasma présente une densité de 108 à 1010 /cm3 pour une pression de travail de 2.104 à 5.10-3 mbar. Couramment, la tension utilisée pour alimenter le plateau est comprise entre 50 V et 100 kV. Habituellement, la fréquence des impulsions plasma est comprise entre 10 1 Hz et 14 KHz. Suivant une caractéristique additionnelle, le plateau porte-substrat est mobile en rotation autour de son axe. De préférence, le plateau porte-substrat et la source plasma pulsée d'axes parallèles présentent un désaxage réglable. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant aux figures jointes parmi lesquelles: - la figure 1 représente un implanteur en coupe schématique verticale, - la figure 2 représente une première variante d'alimentation du plateau, et la figure 3 représente une seconde variante d'alimentation du plateau. Les éléments présents sur plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence. Tel que représenté sur la figure 1, un implanteur ionique IMP comporte plusieurs éléments agencés à l'intérieur et à l'extérieur d'une enceinte à vide ENV. Pour les applications microélectroniques, il est préconisé d'utiliser une enceinte en alliage d'aluminium si l'on souhaite limiter la contamination en éléments métalliques tels que Fer, Chrome, Nickel ou Cobalt. Un revêtement en silicium ou en carbure de Silicium peut aussi être utilisé. Un plateau porte substrat PPS, se présentant sous la forme d'un disque à plan horizontal, mobile autour de son axe vertical AXT, reçoit le substrat SUB devant subir l'implantation ionique. Un passage électrique haute tension PET ménagé dans la partie inférieure de l'enceinte ENV relie électriquement l'axe vertical du plateau AXT, et donc le plateau porte substrat PPS, à une alimentation-plateau ALT reliée à la masse E. Une capacité C également reliée à la masse E est montée en aval de cette alimentation plateau ALT. Des moyens de pompage PP, PS sont également disposés à la partie inférieure de l'enceinte ENV. Une pompe primaire PP est reliée en entrée à l'enceinte ENV par une conduite munie d'une vanne VAk, et en sortie à l'air libre par une conduite d'échappement EXG. Une pompe secondaire PS est reliée en entrée à l'enceinte ENV par une conduite munie d'une vanne VAi, et en sortie à l'entrée de la pompe primaire PP par une conduite munie d'une vanne VAj. Les conduites ne sont pas référencées. La partie supérieure de l'enceinte ENV reçoit le corps de source CS, cylindrique, d'axe vertical AXP. Ce corps est en quartz. Il est extérieurement entouré, d'une part par des bobines de confinement BOCi, BOCj, et d'autre part par une antenne radiofréquence ANT extérieure. Cette antenne est reliée électriquement, via une boite d'accord BAC, à une alimentation radiofréquence pulsée ALP. L'entrée de gaz plasmagène ING est coaxiale à l'axe vertical AXP du corps de source CS. Cet axe vertical AXP rencontre la surface du plateau porte substrat PPS sur lequel est disposé le substrat à implanter SUB. Il est possible d'utiliser tout type de source plasma pulsée: décharge, ICP (pour Inductively Coupled Plasma en anglais) , Helicon, microondes, arc. Ces sources doivent travailler à des niveaux de pression suffisamment faibles pour que le champ électrique créé entre le plateau PPS à haute tension et l'enceinte ENV à la masse n'allume pas un plasma de décharge qui vienne perturber le fonctionnement pulsé de la source. Le choix de la source doit permettre d'avoir un potentiel plasma proche de zéro. En effet, l'énergie d'accélération des ions est la différence entre le potentiel plasma et le potentiel du substrat. L'énergie d'accélération est alors contrôlée uniquement par la tension appliquée au substrat. Ce point devient prédominant si l'on souhaite des énergies d'accélération très faibles, inférieures à 500 eV, ce qui est le cas pour des applications en microélectronique. Pour des applications nécessitant un faible niveau de contamination métallique, telles la microélectronique encore une fois et le traitement de pièces dans le domaine médical, la source ne doit pas présenter d'élément métallique contaminant en contact avec le plasma. Dans le mode de réalisation présenté, une source RF formée d'un tube en quartz est associée à une antenne radiofréquence extérieure ANT et à des bobines de confinement magnétique BOCi, BOCj comme précisé précédemment. Trois avantages du dispositif de la figure 1 peuvent être mentionnés. Premièrement, l'indépendance entre les conditions requises pour l'allumage du plasma et la tension de polarisation du substrat permet une grande versatilité de la gamme d'énergies utilisables. Deuxièmement, la possibilité d'une très faible tension de polarisation, inférieure à 50 ou 100 volts par exemple, constitue un avantage pour la fabrication des jonctions ultrafines de composants électroniques. Troisièmement, la haute tension pulsée disparaît. N'importe quelle espèce plasmagène peut être implantée. II est possible de partir d'un précurseur gazeux tel N2, 02, H2, He, Ar, BF3, B2H6, AsH3, PH3, SiH4, C2H4, d'un précurseur liquide tel TiCl4, H2O, ou d'un précurseur solide. Dans ce dernier cas, il convient d'utiliser un système d'évaporation thermique (phosphore) ou un d'un système arc ( hollow cathode en anglais). La figure 2 représente un module d'alimentation plateau ALTi selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'alimentation plateau ALTi comporte une source de tension continue STC en série avec une impédance de charge Z qui est prévue pour limiter le courant en début de charge de la capacité C. Cette impédance de charge est souvent une résistance. Elle peut également se présenter comme une inductance dont la valeur est fonction de cette capacité C et de l'impédance du plasma. Les paramètres couramment utilisés dans ce mode sont: - densité plasma comprise entre 108 et 1010/cm3, - une durée d'impulsion plasma comprise entre 15 ps et 500 ps, - fréquence de répétition des impulsions comprise entre 1 Hz et 3 kHz, - pression de travail comprise entre 2.10-4 et 5.10-3 mbar, - gaz employé : N2,BF3, 02, H2, PH3, AsH3, ou Ar, - impédance de charge Z qui est une résistance de 330 kO 10%, - une capacité C de 15 nF 10%, - tension de polarisation comprise entre 100 V et 100 kV. Le procédé d'implantation mettant en oeuvre l'implanteur IMP comporte de manière périodique la répétition des quatre ou cinq phases suivantes: une phase de charge de la capacité C (la source plasma SPL étant éteinte) par la source de tension continue STC à travers l'impédance de charge Z jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge, - une phase d'allumage du plasma qui est initiée lorsque la tension du substrat atteint la tension de décharge: l'impédance du plasma n'étant plus infinie, la capacité C se décharge à travers celui-ci, - une phase de décharge de la capacité C, durant laquelle l'implantation est réalisée et pendant laquelle la gaine s'étend, et une phase d'extinction du plasma qui est initiée lorsque la phase précédente a duré le temps souhaité : l'impédance du plasma est à nouveau infinie et la phase de charge peut être réitérée, - une éventuelle phase d'attente, durant la quelle rien ne se passe, qui permet d'ajuster la période de répétition. Lors de la phase de décharge, une zone d'extension plasma ZEP constituée d'un nuage de gaz ionisé se forme entre le corps de source CS et le plateau porte substrat PPS. Les particules viennent heurter le substrat à implanter SUB avec une énergie permettant leur pénétration à l'intérieur du substrat SUB. La figure 3 représente un second mode de réalisation, préférentiel, dans lequel le boîtier de l'alimentation plateau ALTj, relié à la masse E, comporte une source de courant continu CC. Les paramètres couramment utilisés dans ce mode sont: - densité plasma comprise entre 10$ et 10101cm3, - une durée d'impulsion plasma comprise entre 15 ps et 500 ps, - fréquence de répétition des impulsions comprise entre 1 Hz et 3 kHz, - pression de travail comprise entre 5.10-4 et 5.10-3 mbar, - gaz employé : BF3, PH3, AsH3, N2, 02, H2 ou Ar, - une capacité C de 1 F, - tension de polarisation comprise entre 100 V et 100 kV. Le procédé d'implantation mettant dans ce cas en oeuvre l'implanteur IMP est analogue au précédent, hormis l'absence de l'impédance de charge Z. Dans ce cas, on utilise directement une source de courant, ou chargeur de capacité, et l'on arrête la charge lorsque la tension souhaitée aux bornes de la capacité est atteinte. L'avantage de ce second mode est la suppression de l'impédance de charge Z qui est un élément de consommation de puissance et de fragilité pour la machine. A la demande, les pompes primaire PP et secondaire PS assurent la 35 mise en dépression souhaitée de l'enceinte ENV après disposition d'un substrat SUB sur le plateau porte substrat PPS. Les paramètres suivants sont généralement adoptés dans les deux modes de réalisation: - durée d'allumage de la source plasma de 1 à 1000 ps, densité du plasma de 108 à 1010/cm3, pression de travail de 2.10-4 à 5. 10-3 mbar, - tension de polarisation comprise entre 100 V et 100 kV, fréquence des impulsions plasma comprise entre 1 Hz et 14 kHz, alimentation RF de fréquence 13,56 MHz 10%, pulsée. La tension de polarisation peut aller de zéro (pas de limitation pour les basses tensions) à - 100 KV. Au-delà, les risques d'arcage sont significatifs. La valeur de la capacité doit être choisie en fonction de ce que l'on souhaite réaliser. Une forte capacité est nécessaire pour obtenir une tension substrat la plus stable possible pendant la phase d'implantation. Ainsi, les charges stockées sont très supérieures aux charges consommées lors de la phase d'implantation; Une faible capacité permet de faire descendre la tension substrat pendant la phase d'implantation. Dans ce cas, les charges stockées sont inférieures aux charges consommées lors de la phase d'implantation, ce qui aide à l'extinction du plasma lors de travaux sous tension substrat élevée et pression élevée. Dans ce cas, il existe un risque d'auto-allumage par décharge entre le plateau et les parois de l'enceinte. Le courant moyen d'implantation dépend de la densité du plasma, de la tension de polarisation, de la fréquence et de la durée des impulsions plasma. Pour des conditions instantanées fixées, le courant peut se régler par ajustement de la période de répétition. Pour des implantations à 50 KeV, la plage de réglage du courant sera de 1 pA à 100 mA. Pour des implantations à 500 eV, de 1 pA à 10 mA. La valeur minimale de tension du substrat dépend du temps de décharge, équivalent au temps d'allumage plasma, et de la valeur de la capacité. La valeur maximale de tension du substrat dépend de la charge de la capacité. L'utilisation d'une capacité de forte valeur permet d'obtenir une tension d'accélération quasi constante en cours d'impulsion. Dans ce cas, le produit de l'impédance plasma par la capacité est très supérieur à la durée de l'impulsion. Une caractéristique additionnelle de l'implanteur représentée sur la figure 1 permet d'uniformiser l'implantation pour un substrat de grande taille. Comme évoqué précédemment, le substrat SUB repose sur un plateau porte substrat PPS généralement discoïdal et mobile autour de son axe vertical AXT. Avec ou sans rotation, si l'axe AXP de la source plasma SPL surplombant le substrat SUB est proche de l'axe AXT du plateau PPS, la diffusion plasma sera maximale le long de cet axe, et présentera un gradient de répartition par rapport à cet axe. La dose implantée dans le substrat SUB présentera une répartition non homogène. Si les deux axes AXT, AXP présentent un désaxage, la rotation du plateau porte-substrat PPS permet de déplacer le substrat SUB par rapport à l'axe AXP de la source plasma. La dose implantée dans le substrat SUB présentera une répartition dont l'homogénéité sera sensiblement améliorée. L'efficacité de ce système a été vérifiée sur des tranches de silicium de diamètre 200 mm pour lesquelles la non homogénéité obtenue s'est avérée inférieure à 2,5% pour une implantation de BF3 à 500 eV et 10151cm2. L'exemple de réalisation de l'invention présenté ci-dessus a été choisi eu égard à son caractère concret. II ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Implanteur ionique IMP comportant une source plasma pulsée SPL, un plateau porte-substrat PPS et une alimentation de ce plateau ALTi, ALTj, caractérisé en ce qu'il comporte une capacité C reliée directement à la masse E et montée en aval de ladite alimentation plateau ALT. 2) Implanteur IMP selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite alimentation ALTi comporte une source de tension continue STC montée en série avec une impédance de charge Z. 3) Implanteur IMP selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour que la durée de l'impulsion plasma émise par ladite source de plasma pulsée SPL soit comprise entre 15 ps et 500 ps. 4) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite impédance de charge Z est une résistance qui est comprise entre 100 et 1000 kO. 5) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite capacité C a une valeur comprise entre 5 nF et 5 F. 6) Procédé d'implantation mettant en oeuvre l'implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte de manière périodique la répétition des quatre phases suivantes au moins: une phase de charge de ladite capacité C par ladite source de tension STC jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge, - une phase d'allumage du plasma, une phase de décharge de ladite capacité C, et - suite à un délai prédéterminé, une phase d'extinction du plasma. 7) Implanteur IMP selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite alimentation plateau ALTj est une source de courant continu SOC. 8) Implanteur IMP selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour que la durée de l'impulsion plasma émise par ladite source de plasma pulsée SPL soit comprise entre 15 ps et 500 ps. 9) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite capacité C a une valeur comprise entre 5 nF et 5 F. 10) Procédé d'implantation mettant en oeuvre l'implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte de manière périodique la répétition des quatre phases suivantes au moins: une phase de charge de ladite capacité C par ladite source de tension STC jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge, - une phase d'allumage du plasma, une phase de décharge de ladite capacité C, et suite à un délai prédéterminé, une phase d'extinction du plasma. 11) Procédé d'implantation mettant en oeuvre l'implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 6 ou 10, caractérisé en ce que la durée d'allumage de la source plasma est de 1 ps à 10 ms. 12) Procédé d'implantation selon l'une quelconque des revendications 6 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte, suite à ladite phase d'extinction, une 25 phase d'attente. 13) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plasma présente une densité de 10$ à 10'0 /cm3 pour une pression de travail de 2.10-4 à 5.10-3 mbar. 14) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension utilisée pour alimenter le plateau PPS est comprise entre 50 V et 100 kV. 15) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions plasma est comprise entre 1 Hz et 14 KHz. 16) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plateau porte substrat PPS est mobile en rotation autour de son axe AXT. 17) Implanteur IMP selon la revendication 16, caractérisé en ce que le plateau porte substrat PPS d'axe AXT et la source plasma pulsée SPL d' axe AXP présentent un désaxage réglable.