Brevet FR2914782A1 — publié le 20081010

B8261 - 07-T0-100 1 PROCÉDÉ DE GRAVURE PROFONDE ANISOTROPE DE SILICIUM Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des micro-composants et microsystèmes et plus particulièrement des procédés de gravure profonde anisotrope d'une plaquette de silicium. Exposé de l'art antérieur Deux procédés principaux de gravure anisotrope de puits, de tranchées ou de nervures (mesas) dans des plaquettes de silicium sont utilisés industriellement. Un premier procédé, dit alterné, est décrit par exem- ple dans le brevet américain 5 501 893 de la société Bosch. Comme l'illustrent les figures 1A à 1D, le procédé alterné comprend une succession répétée d'étapes de gravure et de polymérisation qui sont mises en oeuvre à une température proche de la température ambiante. La figure 1A est une vue partielle d'une plaquette de silicium 1 revêtue d'une couche de protection 2, par exemple une couche d'oxyde de silicium dans laquelle on a formé une ouverture 3, par exemple un trou circulaire ou une bande de faible largeur. La plaquette de silicium est placée dans un réacteur plasma (non représenté) et on grave par plasma un premier évide-ment 3 dans la tranche. Pour cette gravure, un composé fluoré, B8261 - 07-T0-100 2 par exemple de l'hexafluorure de soufre, SF6, est injecté dans le réacteur plasma. A l'étape suivante, illustrée en figure 1B, on introduit dans le réacteur plasma un gaz tel que les composés actifs résultant dans le réacteur soient susceptibles de former un polymère 4 sur les parois de silicium de l'évidement 3. Ce gaz de formation d'un polymère est par exemple du trifluorométhane, CHF3 ou C4F8. Le polymère formé est un film d'un matériau assimilable à du Téflon (CF2)n. Dans une étape de gravure suivante illustrée en figure 1C, le plasma fluoré attaque d'abord par bombardement ionique la couche de polymère au fond de l'évidement 3 puis forme une gravure isotrope complémentaire 5. Par une répétition des étapes ci-dessus, on obtient 15 une gravure 7 dans la tranche de silicium 1, comme cela est illustré en figure 1D. Le deuxième procédé, dit cryogénique, de gravure anisotrope d'une plaquette de silicium est illustré en figure 2 qui représente une plaquette de silicium 1 revêtue d'un masque dur 20 2, par exemple en oxyde. La plaquette est mise dans un réacteur plasma sur un suscepteur refroidi à très basse température, par exemple vers -100 C, et on procède ensuite à une gravure plasma en présence d'hexafluorure de soufre et d'oxygène. Le procédé est continu, c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'étapes alternées de 25 gravure et de dépôt d'une couche de protection sur les parois de l'évidement en cours de formation. Avec ce procédé, il se forme sur les parois de l'évidement une couche de passivation 9 de type SiOxFy, c'est-à-dire un matériau saturé, non susceptible de former un polymère. 30 Chacun de ces deux procédés classiques présente des avantages et des inconvénients. Un inconvénient de la structure obtenue par le procédé alterné est que les parois du puits, tranchée ou nervure obtenu sont cannelées alors qu'elles sont lisses par le procédé 35 cryogénique. B8261 - 07-T0-100 3 Un autre inconvénient du procédé alterné par rapport au procédé cryogénique réside dans la formation d'un polymère sur les parois de l'évidement. Ce polymère est difficile à enlever, ce qui rend le procédé mal adapté à certaines applications en électronique dans lesquelles la qualité du contact avec les parois de la tranchée est particulièrement importante. Ce polymère se dépose non seulement dans l'évidement formé mais aussi sur les parois du réacteur ce qui oblige à des nettoyages fréquents de ce réacteur et entraîne une baisse de rendement et des dérives du procédé. Par contre, avec le deuxième procédé, le matériau 9 déposé devient gazeux quand on ramène la plaquette de la température de dépôt (environ -100 C) à la température ambiante et s'élimine de lui-même. Un autre inconvénient du procédé alterné réside dans le fait que, dans des conditions de plasma données, les gravures sont sensiblement deux fois plus lentes qu'avec le procédé cryogénique. Le procédé cryogénique est mieux adapté à la formation de motifs de petite étendue par rapport à la taille de la plaquette à traiter (taux d'ouverture inférieur à 20 %) et à des temps de gravure courts (inférieurs à une heure), c'est-à-dire aux cas où il y a une petite quantité de matière à enlever. Par contre, le procédé alterné est mieux adapté à des applications micromécaniques, de type MEMS, pour lesquelles il y a souvent une forte quantité de matière à graver. Le procédé alterné présente l'avantage d'un fonction- nement fiable, c'est-à-dire que, une fois fixées les conditions du plasma, la vitesse de gravure et la forme de l'ouverture obtenue sont bien reproductibles même si les paramètres de fonc- tionnement varient un peu. Par contre, le procédé cryogénique présente l'inconvénient d'être très sensible aux paramètres de fonctionnement et notamment à la température. Quand la tempéra- ture varie légèrement, par exemple d'environ 1 C, soit d'une zone d'une plaquette en cours de traitement à une autre, soit pour deux plaquettes traitées successivement, il en résulte des B8261 - 07-T0-100 4 variations dans la vitesse de gravure et dans la forme de l'évidement gravé. Notamment, si les conditions sont mal réglées, on tend à avoir une ouverture qui, au lieu d'avoir des parois bien verticales, présente une forme conique, la conicité étant dirigée vers le bas ou vers le haut selon que la température est trop élevée ou trop basse. Un autre avantage du procédé alterné est que sa mise en oeuvre entraîne une sous-gravure relativement faible sous le masque 2, par exemple de l'ordre de 0,2 }gym. Par contre, par le procédé cryogénique de l'art antérieur, on obtient une sous-gravure relativement importante, de l'ordre du }gym. Un autre avantage du procédé alterné est sa simplicité de mise en oeuvre, puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir de moyen de refroidissement de la plaquette traitée. Un troisième procédé est décrit dans le brevet américain 6 303 512 de la société Bosch. Toutefois, à la différence des deux procédés décrits précédemment, ce troisième procédé n'a, à la connaissance des demandeurs, fait l'objet d'aucune application industrielle. Ce troisième procédé propose, dans l'une de ses nombreuses variantes de réalisation, une gravure plasma à température ordinaire ou légèrement plus basse (l'exemple donné est de +10 C) par de l'hexafluorure de soufre et de l'oxygène, et en présence, simultanée ou alternée de tétrafluorure de silicium, SiF4. Les débits d'oxygène et de tétrafluorure de silicium dans l'enceinte plasma sont du même ordre de grandeur que le débit de SF6, voire supérieurs (cf revendications 3, 17 et 18). Les phases de gravure et de passivation peuvent être alternées. Les demandeurs ont fait des essais en tentant de reproduire les conditions décrites dans le brevet américain 6 303 512, sans injecter de C4F8. Les demandeurs ont constaté, en particulier, que l'application du procédé de ce brevet conduisait à un blocage de la gravure du silicium, et dans tous les cas à une gravure très lente par rapport aux vitesses de gravure des deux procédés décrits précédemment. De plus, comme B8261 - 07-T0-100 l'indique le brevet, il se forme sur les parois des ouvertures du nitrure ou de l'oxyde de silicium qui est difficile à éliminer. En outre, les demandeurs ont essayé la méthode du 5 brevet 6 303 512 à des températures cryogéniques, inférieures à -40 C, (non suggérées dans le brevet) et ont noté, dans ce cas aussi, un blocage complet du processus de gravure. Résumé de l'invention Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé de gravure plasma du silicium qui élimine au moins certains des inconvénients de l'un ou l'autre des procédés classiques susmentionnés. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré-voit un procédé de gravure plasma anisotrope d'une tranche de silicium, maintenue à une température de -40 à -120 C, comprenant des étapes alternées et répétées : de gravure avec injection d'un gaz fluoré, dans le réacteur plasma, et de passivation avec injection de tétrafluorure de silicium, SiF4, et d'oxygène dans le réacteur plasma, le débit des gaz dans le réacteur plasma étant de l'ordre de 10 à 25 % du débit des gaz pendant l'étape de gravure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz fluoré est choisi dans le groupe comprenant SF6, NF3, F2. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz fluoré est de l'hexafluorure de soufre, SF6. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température est maintenue à environ -90 C. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 une injection d'oxygène est effectuée dans le réacteur plasma pendant les étapes de gravure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la proportion entre l'oxygène et l'hexafluorure de soufre est de l'ordre de 5 à 10 %. B8261 - 07-T0-100 6 Selon un mode de réalisation de la présente invention, pendant les étapes de passivation, la proportion entre l'oxygène et le tétrafluorure de silicium est de l'ordre de 50 à 80 %. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1A à 1D illustrent un procédé de gravure alternée selon l'art antérieur ; et la figure 2 illustre un procédé de gravure cryogénique selon l'art antérieur. Description détaillée La présente invention utilise, comme le premier procédé de l'art antérieur décrit précédemment, un procédé de gravure, dans lequel des étapes de gravure et de passivation sont réalisées alternativement et de façon répétée. La présente invention prévoit aussi, comme le deuxième 20 procédé de l'art antérieur décrit précédemment, un procédé de gravure cryogénique, c'est-à-dire dans lequel la température du silicium est faible au cours du traitement. La présente invention prévoit aussi, comme le troisième procédé de l'art antérieur décrit précédemment, un procédé dans 25 lequel on utilise pour la gravure de l'hexafluorure de soufre et éventuellement de l'oxygène et pour la passivation un mélange de tétrafluorure de silicium et d'oxygène. Toutefois, la présente demande élimine des inconvénients de chacun des procédés de l'art antérieur en prévoyant de 30 nouvelles proportions de la composition gazeuse pendant les étapes de passivation, et éventuellement pendant les étapes de gravure. Ainsi, la présente invention prévoit de disposer dans un réacteur plasma une plaquette de silicium masquée aux empla- 35 cements où on ne souhaite pas effectuer de gravure. La plaquette 10 15 B8261 - 07-T0-100 7 est mise à une température relativement faible, choisie entre - 40 et -120 C, par exemple de l'ordre de -90 C. Pendant les étapes de gravure, un gaz de type hexafluorure de soufre, SF6, est inséré dans l'enceinte plasma, éventuellement en présence d'un gaz porteur, par exemple de l'argon ou autre gaz rare (ou gaz non réactif) et éventuellement également en présence d'oxygène. Ensuite, pendant l'étape de passivation, on injecte dans le réacteur du tétrafluorure de silicium, SiF4, et de l'oxygène, éventuellement également en présence d'un gaz porteur. Pendant cette étape de passivation, le débit de gaz passivant est de l'ordre de 10 à 25 % du débit de gaz dans le réacteur plasma pendant l'étape de gravure. Il se forme alors, sur les parois de l'évidement en cours de formation une couche de passivation de type SiOxFy comme dans le procédé cryogénique de l'art antérieur, c'est-à-dire une couche d'un matériau non contaminant exempt de carbone. Par rapport au procédé cryogénique de l'art antérieur, on constate que la couche de SiOxFy est plus épaisse et que le procédé devient peu sensible à de faibles variations de température : la forme de l'évidement formé et sa vitesse de gravure sont sensiblement constantes même si la température varie de quelques degrés. Selon l'invention, on obtient des sous-gravures du même ordre de grandeur qu'avec le procédé alterné de l'art antérieur, c'est-à-dire beaucoup plus faibles qu'avec le procédé cryogénique de l'art antérieur. En résumé, selon l'invention, on obtient : - une vitesse de gravure intermédiaire entre celle du procédé alterné et celle du procédé cryogénique de l'art antérieur, - un évidement ou tranchée ayant une forme cannelée sensible- ment identique à celle obtenue par le procédé alterné de l'art antérieur, - une faible sensibilité aux variations de paramètres de fonctionnement, et notamment aux variations de température, - sur les parois de l'évidement en cours de formation, un dépôt de type SiOxFy qui s'élimine en grande partie de lui-même par B8261 - 07-T0-100 8 évaporation quand la plaquette de silicium est ramenée à température ambiante (de l'ordre de 20 C) après le traite-ment. Des gaz de gravure fluorés autres que du SF6 peuvent être utilisés. Par exemple, on peut utiliser du NF3, du F2... De plus, Comme on l'a indiqué précédemment, on peut ajouter de l'oxygène aux gaz de gravure fluorés, notamment quand il s'agit de SF6. Dans ce cas, la passivation obtenue en cryogravure classique se met en place pendant les étapes de gravure. De ce fait, les étapes de passivation en SiF4/02 peuvent être insérées à une fréquence plus faible et pendant des temps plus courts. On s'aperçoit alors que l'on diminue la rugosité des flancs et que l'on augmente la vitesse de gravure, les autres avantages du procédé selon l'invention étant conservés. Exemple On pourra par exemple opérer dans les conditions suivantes : gravure : débit de SF6 : 200 cm3 normalisés par minute (sccm) avec éventuellement un ajout de 13 sccm d'O2, passivation : débit de SiF4 : 20 sccm et débit d'O2 13 sccm, dans les deux cas, conditions du plasma : pression : 3 Pa, puissance RF source : 1000 W, polarisation : -60 V. Dans ces conditions, on obtient une vitesse de gravure de 6 par minute dans une tranchée ayant une ouverture de 10 }gym. Plus généralement, pendant la gravure la proportion entre l'oxygène et l'hexafluorure de soufre pourra être de l'ordre de 5 à 10 %. Et, pendant les étapes de passivation, la proportion entre l'oxygène et le tétrafluorure de silicium pourra être de l'ordre de 50 à 80 %. Le débit de SF6 est par exemple compris entre 100 et 1000 sccm, de préférence entre 200 et 400 sccm. Le débit de SiF4 est par exemple compris entre 5 et 50 sccm, de préférence voisin de 20 sccm. Le débit de 02 est par exemple compris entre 5 et B8261 - 07-T0-100 9 100 sccm, de préférence entre 10 et 35 sccm. L'injection de gaz est pulsée, c'est-à-dire que l'on change de mélange gazeux sans éteindre le plasma. REVENDICATIONS 1. Procédé de gravure plasma anisotrope d'une tranche de silicium, maintenue à une température de -40 à -120 C, comprenant des étapes alternées et répétées : de gravure avec injection d'un gaz fluoré, dans le réacteur plasma, et de passivation avec injection de tétrafluorure de silicium, SiF4, et d'oxygène dans le réacteur plasma, le débit des gaz dans le réacteur plasma étant de l'ordre de 10 à 25 % du débit des gaz pendant l'étape de gravure. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le gaz fluoré est choisi dans le groupe comprenant SF6, NF3, F2. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le gaz fluoré est de l'hexafluorure de soufre, SF6. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la 15 température est maintenue à environ -90 C. 5. Procédé selon la revendication 3, comprenant en outre pendant les étapes de gravure, une injection d'oxygène dans le réacteur plasma. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la 20 proportion entre l'oxygène et l'hexafluorure de soufre est de l'ordre de 5 à 10 %. 7. Procédé selon la revendication 3, dans lequel pendant les étapes de passivation, la proportion entre l'oxygène et le tétrafluorure de silicium est de l'ordre de 50 à 80 %.