Brevet FR2905516A1 — publié le 20080307

La présente invention se rapporte à un procédé de gravure plasma d'un substrat semi conducteur cristallin. Le développement et la réduction des dimensions des systèmes micro mécaniques tels que les "MEMS" (Micro Systèmes Electro Mécaniques, en anglais "Micro Electro Mechanical Systems"), les "MOEMS" (Micro Systèmes Opto Electro Mécaniques, en anglais "Micro Opto Electro Mechanical Systems"), les systèmes "Lab-on-chip" et les systèmes micro électroniques ont introduit de nouveaux challenges pour la gravure profonde de substrats semi conducteurs cristallins et, notamment, du silicium. Ainsi, dans un premier temps, des expériences ont été menées sur des motifs en forme de tranchées, à fort rapport d'aspect, c'est-à-dire dont le rapport profondeur/largeur est élevé. Puis, des recherches ont été menées pour minimiser les défauts classiques de la gravure, que sont la gravure sous masque (en anglais "undercut") et le bombage latéral (en anglais "bowling"). Une technique connue, le plus souvent mise en oeuvre à basse température, consiste à utiliser des plaquettes de silicium mono cristallin à titre de substrat, comportant un masque, par exemple en SiO2, recouvrant les parties qui ne doivent pas être gravées. La gravure est réalisée selon une direction verticale, perpendiculaire 20 au plan du masque. Pour former des espèces réactives participant à la gravure, on crée un plasma par décharge électrique dans un mélange de gaz adéquat en écoulement, et contenant préférentiellement du fluor. Un produit fluoré couramment utilisé est l'hexafluorure de soufre (SF6). 25 La pression de gaz est régulée par des débitmètres, un système de pompage et une vanne. Il est ainsi possible de régler le débit, indépendamment de la pression. Le plasma est constitué de différentes espèces et de particules, à savoir des électrons, des ions positifs et négatifs, des radicaux créés par la 30 dissociation des molécules de gaz injecté, et par réaction entre ces radicaux. Le substrat est mis en contact avec le plasma. A titre d'exemple, le substrat de silicium est maintenu par collage électrostatique sur un porte substrat. 2905516 2 Certains radicaux et notamment les radicaux de fluor permettent la gravure du silicium par réaction chimique. Ils forment des composés volatiles qui sont évacués par le système de pompage. Le substrat est polarisé négativement par un générateur indépendant. 5 Il attire ainsi les ions qui ont une direction quasi verticale, perpendiculaire à la surface du substrat. Les ions, en bombardant le substrat, favorisent la gravure en direction verticale, par un phénomène de synergie. Or, dans le cas de gaz fluorés, le fluor est tellement réactif qu'il attaque aussi les parois non bombardées par les ions. On obtient alors une gravure 10 dite isotrope, puisqu'elle s'effectue dans toutes les directions. Afin d'obtenir une gravure anisotrope, on rajoute de l'oxygène au plasma et on refroidit le substrat à une température basse, notamment comprise entre -50 et -140 C, en particulier au moyen d'azote liquide. Un flux d'hélium entre le porte substrat et la plaquette de silicium 15 assure la conductivité thermique. Pendant la gravure, une couche de passivation se met en place sur les parois de la structure, empêchant ainsi la gravure latérale. Au fond du motif, en revanche, la gravure se poursuit à cause des ions qui bombardent les parties planes de la structure. On obtient ainsi une structure anisotrope, puisque la gravure ne s'effectue que dans la direction verticale. Une telle technique présente cependant certains inconvénients. Ces inconvénients peuvent être illustrés par les figures 1 et 2 annexées qui représentent respectivement, vu de dessus et en coupe verticale médiane, un trou réalisé par gravure dans une tranche de silicium. Sur ces figures, la dite tranche a été référencée 1, tandis que le masque qui recouvre les parties qui n'ont pas à être gravées, est référencé 10. On se propose ici de graver un trou 2 de section circulaire 20, dont le fond est référencé 21. Comme dit plus haut, on utilise ici du silicium monocristallin, orienté . Après le procédé de gravure, on observe l'apparition, dans certaines zones, de plans cristallographiques , ceux-ci étant situés en fond 21 de trou, à la périphérie de celui-ci, et formant un angle d'environ 55 ou 35 par rapport à ce fond. Sur les figures annexées, ces plans sont référencés 22. Dans ces 35 conditions, le fond des trous n'est pas plat et a un contour carré ou rectangulaire, 2905516 3 tandis que le reste a une section circulaire. Cet effet peut se révéler néfaste pour certaines applications. La présente invention vise à fournir un procédé de gravure qui permet de lutter contre l'apparition de ce défaut cristallographique qu'un substrat 5 semi conducteur cristallin est susceptible de présenter sous l'effet d'une gravure plasma. En d'autres termes, elle vise à proposer un procédé de gravure qui permet de graver des motifs de formes souhaitées, et de s'affranchir de ces plans orientés obliquement qui contrarient certaines applications. 10 Un autre objectif est de proposer une technique qui puisse être mise en place sur les machines industrielles actuelles. L'invention concerne donc un procédé de gravure plasma, d'un substrat semi conducteur cristallin qui comprend une étape de gravure dudit substrat par injection d'un gaz de gravure halogéné, dans un réacteur plasma. 15 Il se caractérise essentiellement par le fait qu'il comprend également une étape d'amorphisation du substrat, par soumission à un plasma de gaz inerte vis-à-vis dudit substrat, dans le réacteur, et par le fait qu'on réitère alternativement ces étapes de gravure et d'amorphisation, cette alternance d'étapes permettant d'éviter l'apparition de défauts cristallographiques sur le substrat semi-conducteur. 20 Ainsi qu'on le verra plus loin, l'étape d'amorphisation à l'aide d'un gaz inerte vis-à-vis du substrat, permet d'amorphiser localement ce substrat de telle manière que ce traitement, probablement mis en oeuvre sur quelques nanomètres d'épaisseur, s'oppose à tout nouveau passage du substrat selon une orientation cristallographique. 25 Le substrat est avantageusement choisi parmi les substrats de silicium, d'arséniure de gallium, de phosphure d'indium, de carbure de silicium et d'azoture de gallium. De manière particulièrement avantageuse, dans le cas de la gravure du silicium, le gaz de gravure est un gaz fluoré. Il est préférentiellement choisi dans 30 le groupe constitué de SF6, NF3 et F2. Bien entendu, cette liste n'est pas exhaustive. De préférence, dans le cas de la gravure du silicium, le substrat est maintenu à une température comprise entre -40 et -150 C, avantageusement à une température de l'ordre de -85 C. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses et non 35 limitatives de ce procédé : 2905516 4 - lesdites étapes de gravure et d'amorphisation sont réalisées en présence d'oxygène; - on polarise ledit substrat à une tension d'environ -90V ; - chaque étape de gravure a une durée d'environ 10 secondes ; 5 - chaque étape d'amorphisation a une durée d'environ 15 secondes ; - ledit gaz inerte est choisi dans le groupe constitué de l'Argon, du Xénon et du Krypton. D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention seront décrites en référence aux figures 3 et 4 annexées dans lesquelles : 10 - la figure 3 est une vue partielle de dessus d'un substrat semi conducteur cristallin dans lequel on a gravé un trou à contour circulaire ; - la figure 4 est une vue en coupe verticale médiane du substrat de la figure précédente. En référence aux figures 3 et 4 annexées, on se propose de graver 15 une plaquette de silicium monocristallin. Conformément au procédé selon l'invention, le procédé mis en oeuvre consiste à alterner un traitement de surface à l'aide d'un plasma amorphisant, avec une gravure utilisant un plasma de gravure standard, sous une tension de polarisation du substrat de -90V. 20 Cette gravure est réalisée à basse température, comprise entre -40 et -150 C, et plus préférentiellement à une température de l'ordre de -85 C. Le plasma amorphisant est de préférence constitué d'une décharge de gaz d'Argon, mais peut être également obtenu par injection d'autres gaz tels que du Xénon ou du Krypton. 25 En tout état de cause, ce gaz est inerte vis-à-vis du substrat traité. La durée de chaque amorphisation est d'une quinzaine de secondes, mais peut être plus longue. Pendant l'impulsion du plasma d'Argon, la surface du silicium, qui présente des plans cristallographiques est amorphisée sur quelques 30 nanomètres d'épaisseur. Cette amorphisation est due principalement au bombardement d'ions d'Argon qui sont accélérés par la tension de polarisation appliquée au substrat. Durant les impulsions de plasma de gravure, le silicium qui vient d'être amorphisé par l'Argon, est gravé pendant environ dix secondes, sans faire 35 apparaître d'effet cristallographique. 2905516 5 L'alternance d'impulsions de plasma amorphisant et de plasma de gravure, tout en maintenant éventuellement un débit d'oxygène non nul, permet d'éliminer l'effet cristallographique dans les trous ou les tranchées que l'on se propose de réaliser. 5 Comme indiqué plus haut, le gaz de gravure est halogène et, avantageusement fluoré. Un gaz de gravure particulièrement préféré est SF6. L'usage d'oxygène permet de passiver les flancs du trou et empêche la gravure latérale. 10 Ainsi, et comme cela est visible aux figures 3 et 4, on obtient un trou à contour circulaire, son fond 21 étant rigoureusement plat et de même section que le reste du trou. Une telle gravure a été réalisée selon les paramètres suivants : -température : -85 C ; 15 - puissance de la source égale à 1500W ; -tension de polarisation des substrats égale à -90V ; - pression de 9 Pa ; - débit de 02 décroissant de 49 à 28 sccm (pour " Standard Cubic Centimeters per Minute") ; 20 - débit : pour FS6 : 350 sccm et 02 décroissant de 49 à 28 sccm. La description qui précède a été faite en référence à la gravure d'une plaquette de silicium. Toutefois, d'autres substrats, qui sont aptes à présenter un même défaut cristallographique lors d'une étape de gravure, peuvent être traités selon le 25 procédé de l'invention. A titre non limitatif, on peut citer l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP). En ce qui concerne ces deux substrats particuliers, le substrat n'est pas nécessairement maintenu à basse température, de même que la présence d'oxygène lors des étapes de gravure et d'amorphisation n'est pas 30 forcément nécessaire. Dans l'exemple décrit plus haut, le gaz fluoré est l'hexafluorure de soufre. Toutefois, il est possible d'utiliser d'autres gaz fluorés, notamment NF3 et F2. Enfin, tout gaz inerte vis-à-vis du substrat peut être utilisé pour l'étape d'amorphisation. Les gaz Xénon et Krypton conviennent également. REVENDICATIONS 1. Procédé de gravure plasma d'un substrat semi-conducteur cristallin (1) qui comprend une étape de gravure dudit substrat par injection d'un gaz de gravure halogéné, dans un réacteur plasma, caractérisé par le fait qu'il comprend également une étape d'amorphisation dudit substrat (1) par soumission à un plasma de gaz inerte vis-à-vis de ce substrat, dans le réacteur, et qu'on réitère alternativement ces étapes de gravure et d'amorphisation, cette alternance d'étapes permettant d'éviter l'apparition de défauts cristallographiques sur le substrat semi-conducteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit 10 gaz de gravure est un gaz fluoré. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit substrat (1) est choisi parmi les substrats de silicium, d'arséniure de gallium, de phosphure d'indium, de carbure de silicium et d'azoture de gallium. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit substrat est du 15 silicium, caractérisé par le fait que ledit gaz fluoré est choisi dans le groupe constitué de SF6, NF3 et F2. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel ledit substrat est du silicium, caractérisé par le fait que ce substrat (1) est maintenu à une température comprise entre -40 et -150 C, avantageusement à une température de 20 l'ordre de -85 C. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdites étapes de gravure et d'amorphisation sont réalisées en présence d'oxygène. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 25 par le fait qu'on polarise ledit substrat à une tension d'environ -90V. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque étape de gravure a une durée d'environ 10 secondes. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque étape d'amorphisation a une durée d'environ 15 secondes. 30 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit gaz inerte est choisi dans le groupe constitué de l'Argon, du Xénon et du Krypton.