Brevet FR2880632A1 — publié le 20060714

La présente invention concerne un système de dépôt par pulvérisation cathodique assisté, ou aidé, par plasma et, plus spécialement, un système de dépôt par pulvérisation cathodique assisté par plasma permettant de déposer des films minces sur une plaquette, où le porte-plaquette est au repos pendant le dépôt des films, avec une grande uniformité et une grande précision dans la capacité de commander l'épaisseur des films. Les systèmes de pulvérisation cathodique à magnétron, à courant continu (noté DC) ou à radiofréquences (notées RF) sont largement utilisés pour déposer des films minces sur des substrats utilisés dans l'industrie des semiconducteurs. L'une des exigences majeures intervenant dans le dépôt de films sur des substrats, par exemple des substrats de silicium (Si), est l'uniformité des films. Pour déposer des films avec une plus grande uniformité, un système de pulvérisation cathodique à courant continu doté d'une électrode inclinée suivant un certain angle par rapport à la surface de la plaquette a été inventé et utilisé (JP-A- 2002-167 661 et JP-A-2002-296 413). Toutefois, ce système est affecté par certaines difficultés concernant l'ajustement de la température du substrat, la re-pulvérisation des films déposés et la réduction des particules. Ces problèmes sont exposés en détail en liaison avec la figure 5. La figure 5 est une vue en section droite montrant un système de pulvérisation cathodique à courant continu ayant une électrode disposée suivant un certain angle. Le réacteur 100 est constitué d'une électrode 101, d'un porte-plaquette 102, d'entrées de gaz 103 et d'une sortie de gaz 104. L'électrode 101 est faite du métal, par exemple Al, Ti, Ta, etc., qui doit être pulvérisé et déposé sur une plaquette 112. L'électrode 101 est électriquement isolée vis-à-vis du réacteur 100 au moyen d'un matériau diélectrique 105. De façon générale, sur la surface supérieure de l'électrode 101, plusieurs aimants 106 ont été placés selon une disposition particulière. En outre, les aimants 106 disposés sur l'électrode 101 tournent sur un axe décalé ou sur l'axe central de l'électrode 101. La flèche ronde 121 indique le mouvement de rotation sur l'axe central. L'électrode 101 est connectée à une source d'alimentation électrique en courant continu 107. Ordinairement, le porte-plaquette 102 est constitué d'une électrode de métal 108, d'un matériau diélectrique 109, de parois latérales 110 et d'un arbre 111. L'arbre 111 est relié à un moteur électrique de façon à faire tourner le porte-plaquette 102 sur son axe central, comme cela est indiqué par une flèche ronde 122. Le moteur électrique n'est pas représenté sur la figure. Un plasma à courant continu est produit à l'intérieur du réacteur 100 par application d'un courant continu à l'électrode 101, tandis qu'une pression basse est maintenue à l'intérieur du réacteur 100. Du fait de la tension négative supérieure de l'électrode 101, les ions présents dans le plasma sont accélérés en direction de l'électrode 101 et font l'objet d'une pulvérisation cathodique. Les atomes ainsi pulvérisés se déplacent alors dans le plasma et se déposent sur la plaquette 112 et sur d'autres surfaces qui sont exposées au plasma. Le flux d'atomes soumis à la pulvérisation cathodique qui vient de l'électrode inclinée 101 n'est pas uniforme au niveau de la surface de la plaquette. Pour obtenir un film uniforme à la surface de la plaquette, on fait tourner le porte-plaquette 102 sur son axe central. Ceci conduit à l'obtention d'un film uniforme. Tous les problèmes du système PVD (dépôt en phase gazeuse par procédé physique) qui a été expliqué ci-dessus proviennent de la rotation du porte-plaquette 102. Le premier problème est que l'on ne peut pas commander la température de la plaquette pendant le dépôt des films. C'est parce que l'incorporation d'un mécanisme de refroidissement par liquide de l'électrode métallique 108 est difficile. L'incorporation d'un mécanisme de chauffage pour l'électrode de métal 108 est également difficile. Ces difficultés sont des difficultés mécaniques et surviennent du fait de la rotation du porte-plaquette 102. L'ajustement de la température lors du dépôt de films est important pour permettre l'obtention de films ayant des propriétés physiques et électriques voulues. Par exemple, le dépôt de films de cuivre (Cu) au titre d'une couche faisant fonction de germe pour le processus d'électrodéposition doit être effectué à une température inférieure à zéro pour permettre une plus grande régularité de la surface. Le deuxième problème est que la fabrication d'un mandrin électrostatique (noté ESC, d'après "electrostatic chuck") sur l'électrode de métal 108, servant à assurer le serrage de la plaquette au moyen d'une force électrostatique, est difficile du fait de la complexité de conception des connexions électriques. La fixation de la plaquette au moyen du mandrin ESC est importante dans le cas où il faut commander la température de la plaquette pendant le processus de dépôt des films. Le troisième problème est que la délivrance d'un courant de radiofréquences à l'électrode métallique 108 n'est pas non plus facile en raison de la difficulté qu'il y a à réaliser une connexion électrique avec le porte-plaquette rotatif 102. L'application de la puissance électrique rf à l'électrode métallique 108 est nécessaire si le dépôt doit être effectué via le bombardement par des ions doux ("sort-ions") ou bien si le film déposé doit être repulvérisé. Le quatrième problème est celui de la production de particules à l'intérieur du réacteur du fait de la poursuite de la rotation du porteplaquette 102. La rotation du porte-plaquette 102 provoque des vibrations au niveau de ses parties externes et de ses parties périphériques. Ceci facilite la délamination, vis-à-vis des surfaces vibrantes, du film déposé, ce qui entraîne finalement une contamination par des particules sur la surface de la plaquette. En outre, comme techniques pertinentes se rapportant à une cathode ou une cible de forme torique, on peut citer des documents tels que JP-A- 7-126 847 et JP-A-5-189 762. Actuellement, ce qui est demandé, c'est la résolution des quatre problèmes ci-dessus indiqués. Dans les systèmes de pulvérisation cathodique à magnétron, à courant continu ou à radiofréquences, proposés par l'invention, le porte-plaquette est au repos pendant le traitement des plaquettes, grâce à une modification ou une amélioration de la structure de l'électrode et des sections associées. Le but de l'invention est de produire un système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma, qui est en mesure de résoudre les problèmes ci-dessus indiqués et de maintenir les qualités satisfaisantes et nécessaires telles que l'uniformité des films et la possibilité de commander l'épaisseur grâce à l'emploi d'une électrode en forme de tore présentant une surface inclinée d'un certain angle, une configuration d'aimants avec rotation et révolution (mouvement planétaire) , et un porte-plaquette dont la température peut être ajustée, lequel porte-plaquette est au repos pendant l'opération de dépôt des films. Un système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma selon l'invention est conçu comme suit pour procurer le but ci- dessus indiqué. Le système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma est constitué des éléments suivants: un réacteur dans lequel est introduit le gaz de traitement devant être utilisé pour produire le plasma; une électrode en forme de tore faite d'un matériau qui doit être soumis à la pulvérisation cathodique par le plasma, où la surface inférieure de l'électrode en forme de tore est inclinée d'un certain angle ou parallèle à la surface d'une plaquette; une plaque tournante qui tourne sur son axe central tout en se déplaçant sur un cercle au-dessus de l'électrode en forme de tore, où la plaque tournante contient un ensemble d'aimants attachés à sa surface inférieure et est parallèle à la surface de l'électrode en forme de tore; une source d'alimentation électrique connectée à l'électrode en forme de tore; et un porte- plaquette servant à positionner la plaquette en vue du dépôt de films, lequel porte-plaquette est au repos pendant le dépôt des films. Dans le système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma ci-dessus indiqué, l'ensemble d'aimants présent à la surface inférieure de la plaque tournante peut être symétrique par rapport à son axe de rotation. Dans le système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma, l'ensemble d'aimants présent à la surface inférieure de la plaque tournante peut être asymétrique par rapport à son axe de rotation. Un système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma est constitué des éléments suivants: un réacteur dans lequel est introduit le gaz de traitement devant être utilisé pour produire le plasma; une électrode en forme de tore faite en un matériau qui doit être soumis à la pulvérisation cathodique par le plasma, où la surface inférieure de l'électrode en forme de tore est inclinée d'un certain angle par rapport à la surface d'une plaquette ou lui est parallèle; deux ou plus de deux aimants circulaires ayant des diamètres différents et placés au-dessus de l'électrode en forme de tore de façon à présenter des polarités alternées à l'électrode et, ainsi, produire une ou plusieurs lignes de flux magnétique en boucle fermée en dessous de l'électrode en forme de tore; une source d'alimentation électrique connectée à l'électrode en forme de tore; et un porte-plaquette servant à positionner la plaquette en vue du dépôt de films, lequel porte-plaquette est au repos pendant le dépôt des films. Le système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma selon l'invention peut maintenir des qualités satisfaisantes et nécessaires, comme l'uniformité des films et la possibilité de commander l'épaisseur grâce à l'emploi d'une électrode en forme de tore effectuant une surface inclinée, une configuration d'aimants effectuant une rotation et une révolution, et un porte-plaquette dont la température peut être ajustée et qui est au repos pendant le dépôt des films. 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 est une vue en coupe longitudinale du système selon le premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue en perspective montrant une électrode en forme de tore; la figure 3 est une vue en plan simplifiée de l'électrode en forme de tore ainsi que des déplacements de la plaque tournante par rapport à l'électrode en forme de tore; la figure 4 est une vue en coupe longitudinale montrant le système du deuxième mode de réalisation de l'invention; et la figure 5 est une vue en coupe longitudinale montrant le système classique. En liaison avec les figures 1 à 3, on va expliquer le premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1 est un schéma en coupe longitudinale du premier mode de réalisation du système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma selon l'invention. Le réacteur 1 est doté d'une électrode 2 disposée sur la paroi lA formant son plafond et d'un porte-plaquette 5 disposé sur la plaque 17 formant son fond. Une paroi de support 1B située du côté supérieur soutient la paroi de plafond 1A. La paroi de plafond 1A possède une section périphérique annulaire inclinée d'un certain angle. L'électrode 2 est placée dans la section périphérique annulaire inclinée de la paroi de plafond 1A. L'électrode 2 est faite en un métal tel que Al, Ti, Ta, etc., qui doit être soumis à la pulvérisation cathodique et déposé sur une plaquette 9 placée sur le porte-plaquette 5. L'électrode 2 est électriquement isolée vis-à-vis du réacteur 1 au moyen d'un matériau diélectrique 8. L'électrode 2 est connectée à une source d'alimentation électrique en courant continu 10. Dans le réacteur 1 du premier mode de réalisation, l'électrode 2 est en forme de tore ou d'anneau circulaire, et il y a des entrées de gaz 6 au niveau de la plaque formant le fond 17 ainsi qu'une sortie de gaz 7 au niveau de la section inférieure de la paroi de côté 20 voisine de la plaque formant le fond 17. Dans l'espace situé au dos de l'électrode 2, se trouve une plaque tournante, ou disque tournant, 3 auquel l'ensemble d'aimants 4 est fixé. L'électrode 2 est faite en un matériau qui doit être soumis à la pulvérisation cathodique et déposé sur la plaquette 9. La forme de l'électrode 2 est circulaire et présente un trou en son centre, comme on peut voir sur la figure 3. Les diamètres interne et externe de l'électrode 2 ne sont pas cruciaux et sont fixés en liaison avec le diamètre de la plaquette et la hauteur de la plaquette à l'électrode 2. Les centres des diamètres interne et externe de l'électrode 2 et le centre de la plaquette 9 se trouvent sur une même ligne droite. Les surfaces de l'électrode 2 sont inclinées d'un certain angle de façon que le prolongement de ces surfaces produise une structure en forme de cône. L'angle entre la surface de l'électrode et une ligne horizontale, qui est indiqué par "a" sur la figure 1, n'est pas crucial et est généralement inférieur à 45 . On peut aussi utiliser le cas où a est égal à 0, c'est-à- dire où la surface de l'électrode est parallèle à la surface de la plaquette. L'épaisseur de l'électrode 2, indiquée par "t" sur la figure 2, n'est pas non plus cruciale et peut se trouver dans l'intervalle de 2 mm à 20 mm. Une électrode 2 plus épaisse est préférable car elle donne un flux magnétique supérieur sur sa surface inférieure. L'électrode 2 est recouverte d'un matériau isolant 8 afin d'être électriquement isolée du reste des parties du réacteur 1 et reçoit une alimentation électrique en courant continu ou de radiofréquences. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 1 une source d'alimentation électrique en courant continu 10. L'ensemble d'aimants 4, constitué de plusieurs aimants, est fixé à la plaque tournante 3. La plaque tournante 3 est ordinairement faite en un métal. Le diamètre de la plaque tournante 3 est ordinairement choisi de façon à être légèrement plus court que la largeur de l'électrode 2, comme indiqué par "d" sur la figure 2. Toutefois, on peut employer une plaque tournante plus grande que la largeur "d" de l'électrode en effectuant les modifications matérielles appropriées. La plaque tournante 3 tourne constamment sur son axe central 16. De plus, la plaque tournante 3 portant l'ensemble d'aimants 4 se déplace sur un trajet circulaire au-dessus de l'électrode 2, à la manière d'un mouvement planétaire. Dans ce cas, la plaque tournante 3 est parallèle à la surface de l'électrode 2 en forme de tore. Ces mouvements sont schématiquement indiqués sur la figure 3. Sur la figure 3, une flèche 31 indique le mouvement de rotation et une flèche 32 indique le mouvement planétaire. Le mécanisme servant à réaliser le mouvement de rotation et le mouvement planétaire est constitué par un moteur 33 relié à l'axe central 16, un élément de guidage de forme annulaire ayant un mécanisme d'engrenage qui est fixé à la paroi de côté 20 de la paroi de support 1B située du côté supérieur, et un élément de liaison servant à relier le moteur 33 et l'élément de guidage de forme annulaire 34. Lorsque le moteur 33 est en service, l'axe central 35 tourne et l'unité qui comporte le moteur 33 et la plaque tournante 3 se déplace suivant l'élément de guidage de forme annulaire 34 par l'action du mécanisme d'engrenage. L'ensemble d'aimants 4 se trouvant au-dessous de la plaque tournante 3 n'est pas crucial et peut être un ensemble d'aimants symétrique ou asymétrique. Le porte-plaquette 5 est fixé à la plaque de fond 17. Il est constitué d'une électrode métallique 11, d'un mandrin électrostatique (ESC) 12 ou d'une mince couche diélectrique 12, et d'un isolant 13. L'électrode métallique 11 reçoit un liquide de température ajustée via une entrée de liquide 14 et une sortie 15. Le liquide à température ajustée est utilisé pour maintenir une température constante, qui est ordinairement comprise dans l'intervalle de 100 C à -100 C, sur l'électrode métallique 11. S'il est demandé une température supérieure, généralement au-delà de 100 C, on peut fixer un système de chauffage électrique à l'intérieur de l'électrode métallique 11. La mince couche diélectrique 12 présente sur la surface supérieure de l'électrode métallique sert à former le mandrin ESC. A l'intérieur de cette couche diélectrique 12, il peut y avoir une ou plusieurs électrodes métalliques très minces constituant une partie du mandrin ESC. De nouveau, il peut y avoir un mécanisme de délivrance de gaz au mandrin ESC pour accroître la conductivité thermique entre la plaquette 9 et le mandrin ESC. Une explication détaillée de la configuration du mandrin ESC ne sera pas donnée, car on la trouve facilement dans la littérature. Le porteplaquette 5 est fixé sur la plaque 17 formant le fond du réacteur 1. Ceci facilite l'établissement d'un câblage électrique et de mécanismes de refroidissement/chauffage. Toutefois, on peut faire en sorte que le porteplaquette 5 se déplace dans la direction verticale avec toutes les installations ci-dessus indiquées. La particularité importante du porteplaquette 5, par comparaison avec la technique antérieure, est que la plaquette et le porte-plaquette sont au repos pendant le dépôt des films. Ainsi, il n'y a aucune partie tournante dans le porte-plaquette 5. On va expliquer le fonctionnement de la structure ci-dessus présentée. La plaquette 9 qui est introduite dans le réacteur 1 par l'intermédiaire d'une porte 18 d'entrée/sortie de plaquette, est placée sur le porte-plaquette fixe 5. La plaquette 9 placée dans le porte- plaquette 5 est fixée électrostatiquement sur le mandrin ESC. Le mandrin ESC est maintenu à une température constante grâce à un agent réfrigérant ou à un moyen de chauffage. Un gaz est envoyé dans le réacteur 1, et le réacteur est maintenu à une pression voulue. La pression régnant à l'intérieur du réacteur 1 n'est pas cruciale et peut varier dans l'intervalle de 0,1 mTorr à 100 mTorr. Une alimentation électrique en courant continu est appliquée à l'électrode 2 à partir de la source de courant continu 10 de façon à amorcer la production de plasma et à en maintenir l'existence. La puissance électrique du courant continu appliquée à l'électrode 2 n'est pas importante et est fixée en fonction de la vitesse de dépôt voulue et d'autres paramètres. S'il faut une vitesse de dépôt inférieure, on applique une puissance inférieure, par exemple 100 W. En particulier, lorsqu'un ajustement précis de l'épaisseur des films est nécessaire, le dépôt doit s'effectuer à une vitesse inférieure, par exemple de 10 nm/min. Dans ce cas, une puissance de courant continu inférieure, par exemple 50 W, est appliquée à l'électrode 2. Même si l'électrode 2 est soumise dans son ensemble à une même tension négative appliquée par la source de puissance en courant continu 10, le plasma se concentre en dessous de la plaque tournante 3, puisque le plasma est confiné par le champ magnétique. Ce plasma dense se déplace sur un trajet circulaire au-dessous de l'électrode 2 avec le mouvement de la plaque tournante 3 associé à l'ensemble d'aimants 4. La pulvérisation cathodique se produit principalement à l'emplacement où se trouve le plasma dense et les atomes ayant fait l'objet de la pulvérisation cathodique atteignent la surface de la plaquette sous divers angles. Par conséquent, le processus de dépôt de films est presque identique à celui expliqué en liaison avec la technique antérieure, qui donne un film présentant une excellente uniformité. L'électrode métallique 11 se trouvant dans le porte-plaquette 5 peut ou non recevoir un courant de radiofréquences. Même si une puissance de radiofréquences est appliquée, la puissance du courant de radiofréquences fournie par une source d'alimentation électrique de radiofréquences 36 est ordinairement maintenue à une valeur basse, de sorte qu'il n'y a pas de pulvérisation cathodique excessive du film déposé. Le système de pulvérisation cathodique selon le premier mode de réalisation produit des films extrêmement uniformes permettant de commander l'épaisseur des films avec une grande précision en même temps que l'on peut maintenir la température de la plaquette à tout niveau voulu. En outre, le dépôt peut être effectué au moyen d'un bombardement par des ions doux ("soft-ions") ou bien au moyen de processus de repulvérisation cathodique. Selon le premier mode de réalisation, le porte-plaquette 5 est au repos et le plasma produit dans une région située au-dessous de l'électrode, qui correspond à l'ensemble d'aimants 4 de la plaque tournante 3, tourne en suivant le mouvement planétaire (révolution) de la plaque tournante 3. Par conséquent, même si le porte-plaquette ne tourne pas, un film mince uniforme est déposé sur la plaquette 9 se trouvant sur le porte-plaquette 5. On explique ensuite le deuxième mode de réalisation en liaison avec la figure 4. Il comporte une légère modification du premier mode de réalisation. La seule modification de ce système, par comparaison avec le premier mode de réalisation, consiste à utiliser une nouvelle structure pour l'ensemble d'aimants, correspondant à l'ensemble d'aimants 4 sans la plaque tournante 3 ci-dessus. Ici, deux ou plus de deux aimants circulaires 19a et 19b sont placés sur la surface externe de l'électrode 2, qui présentent des polarités alternées à la surface de l'électrode. Ils ne se déplacent pas. La configuration présentant les deux aimants circulaires 19a et 19b est présentée sur la figure 4, à titre d'exemple. Ces deux aimants 19a et 19b sont fixés de façon permanente sur l'électrode ou placés de manière à présenter une petite séparation, par exemple 1 mm, vis-à-vis de l'électrode et à être légèrement déplacés parallèlement à la surface de l'électrode. Il y a des lignes de flux magnétique 37 entre les deux aimants circulaires 19a et 19b. Les lignes de flux magnétique 37 pénètrent dans l'électrode 2 à l'intérieur du réacteur 1. Le léger mouvement des aimants circulaires 19a et 19 b amène une amélioration du rendement d'utilisation de l'électrode. L'application de l'alimentation électrique en courant continu ou de l'alimentation électrique de radiofréquences à l'électrode 2 est semblable à ce qui a été expliqué en liaison avec le premier mode de réalisation. Toutefois, avec l'ensemble d'aimants, un plasma torique intense est créé au-dessous de l'électrode 2 et la pulvérisation cathodique se produit sur une surface de forme torique en même temps. Par conséquent, avec cette configuration, on augmente la vitesse de dépôt. A l'exception des modifications ci-dessus indiquées, l'ensemble des autres structures, fonctions, procédures et résultats est inchangé par rapport à ce qui a été expliqué en liaison avec le premier mode de réalisation. L'invention est utilisée pour effectuer une pulvérisation cathodique à magnétron aidée par plasma sans faire tourner le porte- plaquette, et pour assurer le dépôt de films sur la plaquette avec une uniformité de films et une possibilité de commande de l'épaisseur, et elle permet d'ajuster la température dans le porte-plaquette. Bien entendu, l'homme de l'art, sera en mesure d'imaginer, à partir des systèmes dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATION 1. Système de dépôt par pulvérisation cathodique aidé par plasma, caractérisé en ce qu'il comprend: un réacteur (1) dans lequel un gaz de traitement est introduit pour être utilisé en vue de produire le plasma, une électrode (2) de forme torique, faite en un matériau qui doit être soumis à la pulvérisation cathodique par ledit plasma, où la surface inférieure de ladite électrode de forme torique est inclinée suivant un certain angle par rapport à la surface de la plaquette ou lui est parallèle, deux ou plus de deux aimants circulaires (19a, 19b) ayant des diamètres différents et étant placés au-dessus de ladite électrode de forme torique de façon à présenter des polarités alternées à ladite électrode et, ainsi, créer une ou plusieurs lignes de flux magnétique en boucle fermée au-dessous de ladite électrode de forme torique, une source d'alimentation électrique (10) connectée à ladite électrode de forme torique, et un porte-plaquette (5) servant à placer ladite plaquette en vue 20 du dépôt des films, lequel porte-plaquette est au repos pendant le dépôt des films.