PROCESS AND APPARATUS FOR PLASMA TREATMENT OF SEMICONDUCTOR MATERIALS

Abstract: 1. Process for treating a semiconductor material, consisting in placing the material (8) in an electrically insulating enclosure (2) and subjecting it, in the enclosure, to a plasma of a gaseous compound which is appropriate to the treatment, this plasma being obtained by the action of a uniform magnetic field (BO ) in the enclosure (2) and of a radio-frequency electromagnetic field which is produced in the enclosure (2), in the region of action of the uniform magnetic field, and whose magnetic component (BT ) is perpendicular to the uniform magnetic field, the two fields (BO , BT ) being produced by means external to this enclosure.

Description: La présente invention concerne un procédé et un dispositif de traitement d'un matériau semiconducteur, par plasma. Elle s'applique notamment à la gravure d'un matériau semiconducteur, par exemple de plaquettes semiconductrices destinées à la fabrication de circuits intégrés, le mot "gravure" étant pris dans un sens très large "d'enlèvement de matière" suivant une géométrie prédéterminée ou quelconque. L'invention s'applique également au dépôt d'une matière sur le matériau ainsi qu'à la croissance de couches sur un substrat et, plus généralement, au traitement de surfaces. On connut déjà des machines pour le traitement de matériaux semiconducteurs, utilisant le procédé de gravure ionique réactive. Ces machines présentent l'inconvénient majeur d'effectuer la gravure très lentement (à une vitesse de l'ordre de 100 nm/mn pour le silicium et les siliciures et 50 nm/mn pour la si lic4. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de traitement d'un matériau semiconducteur qui améliorent la sélectivité ou qui permettent des vitesses de gravure nettement plus importantes. De façon précise, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé de traitement d'un matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à placer le matériau dans une enceinte électriquement isolante et à le soumettre, dans l'enceinte, à un plasma d'un composé gazeux approprié au traitement, ce plasma étant obtenu par l'action d'un champ magnétique uniforme et d'un champ électromagnétique radio-fréquence dont la composante magnétique est perpendiculaire au champ magnétique uniforme. Par "composé gazeux", on entend un gaz pur ou un mélange gazeux. Par "traitement", on entend aussi bien la gravure du matériau que le dépôt d'une matière sur celui-ci. Par "champ électromagnétique radio-fréquence", on entend un champ électromagnétique dont la fré- quence est inférieure à 10GHz. Bien entendu, le matériau peut être préparé de façon appropriée, en fonction du traitement qu'il doit subir et préalablement à ce traitement. Par exemple, dans le cas de la gravure de plaquettes semiconductrices destinées à la fabrication de circuits intégrés, on peut être amené à recouvrir ces plaquettes d'une couche discontinue (masque) de résine, de Si3N4, de silice ..., avant de les traiter selon l'invent ion, pour ne graver que des domaines prédéterminés des plaquettes. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, le traitement est une gravure du matériau et le composé gazeux comprend au moins un gaz susceptible de donner, par décomposition, un élément apte à se combiner avec au moins l'un des éléments constituant le matériau pour donner un composé volatil. Dans le cas où le matériau à graver est du silicium, le composé gazeux comprend, de préférence, de l'argon et de l'hydrogène, mélange qui présente un grand intérêt comme on le verra par la suite. Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, le traitement est un dépôt d'une matière sur le matériau et le composé gazeux comprend au moins un gaz apte à donner la matière par décomposition. La présente invention a également pour objet un dispositif de traitement d'un matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend - une enceinte électriquement isolante, - des moyens de support du matériau dans l'enceinte, - des moyens d'introduction dans l'enceinte et d'éva cuation de celle-ci, d'un composé gazeux approprié au traitement, - des moyens de production d'un champ magnétique uni forme dans l'enceinte, et - des moyens de production d'un champ électromagnéti que radio-fréquence dans l'enceinte, tel que sa com posante magnétique soit perpendiculaire au champ ma gnétique uniforme, de manière à traiter le matériau en le soumettant à un plasma obtenu par ionisation du composé gazeux présent dans l'enceinte et soumis aux champs uniforme et radio-fréquence. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, l'enceinte présente la forme d'un tube et le champ uniforme est parallèle à l'axe du tube. Enfin, selon un autre mode de réalisation particulier, le matériau se présente sous forme d'une pluralité de plaquettes et les moyens de support sont mobiles et aptes à maintenir les plaquettes perpendiculairement à l'axe du tube. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, et - les figures 2 et 3 mettent en évidence l'intérêt de l'invention en ce qui concerne les gravures respectivement isotrope et anisotrope du silicium. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention. Celui-ci comprend - une enceinte 2 électriquement isolante, - des moyens 3 de production d'un champ magnétique uniforme Bo dans l'enceinte, et - des moyens 4 de production d'un champ électromagné tique radio-fréquence dans l'enceinte, tel que sa composante magnétique BT soit perpendiculaire au champ magnétique uniforme Bo Par exemple, l'enceinte 2 consiste en un tube en quartz d'axe Z, les moyens 3 de production du champ uniforme Bo sont constitués par deux bobines magnétiques 3a et 3b qui entourent le tube 2 et sont convenablement alimentées en courant électrique continu par des moyens non représentés, et les moyens 4 de production du champ radio-fréquence comprennent une antenne quadrifilaire 5 et une source radio-fréquence 6 pour alimenter l'antenne. Cette dernière entoure le tube 2, dans l'espace compris entre celui-ci et les deux bobines 3a et 3b. L'antenne 5 peut être schématiquement considérée comme étant composée de deux boucles électriquement conductrices formant bobines de Helmholtz et diamétralement opposées de part et d'autre du tube 2, dans le domaine d'action des bobines 3a et 3b. L'association du tube 2, du champ uniforme Bo et de l'antenne 5, prévue pour produire un champ électromagnétique dont la composante magnétique est perpendiculaire au champ uniforme Bot en vue de créer un plasma dans le tube, est d'ailleurs déjà connue par l'article de R.W. BOSWELL, publié dans Physics Letters, vol.33A, n07, 11 décembre 1970, p.457 et 458, mais sans mention d'application particulière du plasma. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend également des moyens 7 de support du matériau 8 à traiter dans le domaine d'action des champs Bo et BT. Sur la figure 1, on aperçoit également un conduit 13 pour introduire dans le tube 2 un composé gazeux approprié au traitement du matériau 8 et un autre conduit 14 pour évacuer ce composé en direction de moyens de pompage non représentés. Des jauges 15 et 16 permettent de mesurer la pression régnant dans le tube. En outre, un sas non représenté est prévu au moins à l'une des extrémités du tube, pour introduire dans celui-ci le matériau 8 et évacuer ce matériau une fois traité. Le dispositif décrit en référence à la figure 1 appartient à la catégorie des machines dites "tubullaires qui travaillent à basse pression (comprise entre environ 0,1 et 10 pascals et en tout cas inférieure à 102 pascals) et dans lesquelles les énergies mises en jeu ne dépassent pas 10 eV environ et sont en tout cas inférieures à 100 eV. D'autre part, le système décrit permet d'appliquer une polarisation du porte substrat indépendamment de la création du plasma. Ce dispositif permet de créer une colonne de plasma dans le tube, sous l'action du champ radiofréquence BT couplé au champ uniforme Bot ce dernier ayant une intensité faible, comprise entre environ quelques millièmes et quelques dixièmes de tesla. L'intérêt de la présente invention réside dans la remarquable efficacité de couplage radio-fréquence (la fréquence industrielle de 13,56 MHz étantd'aiJJe'urs bien adaptée à l'invention) de l'antenne excitatrice 5, ce qui conduit à la production de plasmas de densités très importantes en regard des densités de puissance électromagnétique utilisées : on peut par exemple obtenir des densités de l'ordre de quelques 1012 élec trons par cm3 avec des densités de puissance de l'ordre de 0,1 à 1 W par cm3 selon le type de composé gazeux utilisé. La possibilité d'engendrer des densités électroniques élevées confère au dispositif de l'invention des caractéristiques inédites, en particulier dans le domaine de la gravure d'un matériau semiconducteur tel que le silicium monocristallin ou polycristallin, la gravure du silicium étant de préférence réalisée dans l'invention à l'aide d'un mélange gazeux hydrogéne-argon. Avec ce mélange, l'invention permet une gravure très sélective du silicium par rapport à la silice SiO2 et au nitrure de silicium Si3N4, la sélectivité (rapport de la vitesse de gravure du silicium à la vitesse de gravure de SiO2 ou Si3N4) étant de l'ordre de 30 à 50, voire supérieure à ces valeurs. Le tableau I suivant donne des conditions expérimentales aboutissant à de telles valeurs ainsi qu'à des vitesses V élevées de gravure pour le silicium polycristallin. TABLEAU I Pression Densité de Débit Débit Vsi Sélec totale puissance d'argon de H2 tivité (Pa) (W/dm3) < cm3/mn) (cm3/2mn) (qnm/mn) 1,3 320 4 8 0,20 30 à 50 1,3 320 4 20 0,35 30 à 50 Les molécules d'hydrogène sont dissociées dans le plasma et les atomes d'hydrogène réagissent avec le silicium pour donner le composé volatil SiHX, avec x inférieur ou égal à quatre. L'argon catalyse cette réaction en favorisant la dissociation des molécules d'hydrogène. Le mélange hydrogène-argon utilisé avec l'invention, permet en outre de graver le silicium en prédéterminant la pente de gravure, cette pente étant fonction de la concentration relative de l'argon dans l'hydrogène. En particulier, on peut obtenir une gravure parfaitement isotrope pour une faible concentration relative d'argon, une gravure parfaitement anisotrope pour une concentration relative d'argon égale à 50%, ainsi que des configurations intermédiaires, comme le montre le tableau Il suivant: : TABLEAU Il Pression Densité de Proportion Proportion Pente totale puissance de H2 d'argon (Pa) (W/dm3) 0,79 320 1 1 900 1,3 320 2,5 1 isotrope 1,3 320 3,75 1 45-500 1,3 320 5 1 700 1,3 320 8 1 600 A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 2 la gravure isotrope d'un substrat 17 de Si 400 > recouvert d'un masque 18 de SiO2, gravure obtenue à l'aide d'un mélange de 95% d'hydrogène et de 5% d'argon, la vitesse de gravure du silicium étant de l'ordre de 0,2 à 0,3 nm/mn et la sélectivité (par rapport à SiO2) au moins égale à 50, et sur la figure 3, la gravure parfaitement anisotrope d'une couche 20 de silicium polycristallin recouverte d'un masque 21 en aluminium et déposée sur une couche 22 de SiO2, ellemême déposée sur un substrat 23 de Si < 100 > , gravure obtenue à l'aide d'un mélange de 50% d'hydrogène et de 50% d'argon, la vitesse de gravure du silicium étant de l'ordre de 0,15 à 0,2 sm/mn et la sélectivité (par rapport à SiO2) au moins égale à 30, avec dans les deux cas (figures 2 et 3) une densité de puissance du champ radio-fréquence (13,56 MHz) de 300 W/cm , un champ uniforme Bo de 5.1 3 T, une pression totale de 0,79 Pa et un débit gazeux de l'ordre de 0,3 dm3/mn. La variation du profil du silicium gravé est obtenue sans consommation du masque ni adjonction d'une polarisation externe sur le substrat. Par comparaison, une gravure ionique réactive classique de silicium polycristallin, réalisée à l'aide de SF6 pur, avec une pression de 0,66 Pa, un débit de 15 cm3/mn, une densité de puissance de 40 W/dm3, est anisotrope et s'effectue avec une vitesse de l'ordre de 0,1 Bm/mn et une sélectivité de l'ordre de 2 à 4 par rapport à SiO2. L'invention permet donc une gravure du silicium avec un mélange hydrogène-argon qui est facile à utiliser (comparativement aux gaz chlorés employés dans les installations de l'art antérieur, gaz permettant une bonne sélectivité mais dont l'emploi est délicat, pose des problèmes de sécurité et de tenue des matériaux et oblige à éviter impérativement la présence de vapeur d'eau dans l'appareil de gravure) et permet une sélectivité, par rapport à SiO2 ou Si3N4, au moins égale à celles qui sont obtenues dans l'art antérieur. En outre, avec ce mélange, l'invention permet la gravure du silicium avec une pente qui varie continuement avec les concentrations relatives d'argon et d'hydrogène. Bien entendu, l'invention peut être utilisée dans le domaine de la gravure avec des mélanges gazeux autres que le mélange hydrogène-argon, par exemple avec un mélange comprenant un halogène tel que le chlore ou le fluor sous forme gazeuse inerte, un oxydant tel que l'oxygène, un réducteur tel que l'hy drogène et un gaz neutre tel qu'un gaz rare (l'argon par exemple). On peut également utiliser avec l'invention des gaz fluorés, carbono-fluorés ou chlorés ainsi que tous les mélanges obtenus à partir de ces gaz et d'adjuvants tels que H2 ou 02. L'invention permet par exemple la gravure à très grande vitesse du silicium polycristallin à l'aide de SF6 pur comme le montre le tableau III suivant TABLEAU III Débit SF6 Puissance Densité de Pression Vitesse de radio-fré- puissance SF6 gravure quence (cm3/mn) (W) (W/dm3) (Pa) ( > m/mn) 10 200 250 0,66 0,08 10 200 250 1,38 2 10 200 250 1,97 3,5 10 200 250 2,63 3,8 10 320 400 1,58 5 L'invention permet également de déposer sur un substrat, un matériau tel que le silicium, en utilisant SiH4 en tant que composé gazeux : ce dernier se décompose en hydrogène et en silicium qui se dépose sur le substrat. On peut aussi utiliser le dispositif selon l'invention pour la gravure en créantun plasma, à partir de tout gaz fluoré, carbono-fluoré ou chloré. Dans tous les cas, on constate une vitesse de gravure nettement supérieure à celle obtenue dans les dispositifs classiques. L'invention peut s'appliquer en conséquence - à la réalisation de tranchées pour caissons d'isole ment, de l'ordre de 1 Fun de largeur et 5 1n de pro fondeur, à à l'amorce de chemins de découpe avant clivage, la la réalisation de marques d'alignement pour masqueurs électroniques, à a la gravure de la face arrière de plaquettes semi- conductrices pour y réaliser une prise de contact, à a l'amincissement et à la mise à épaisseur des pla quettes (par exemple avant leur montage dans des boîtiers), et au nettoyage d'objets souillés par un matériau semi conducteur : par exemple au nettoyage de nacelles en quartz après dépôt de silicium polycristallin, par CVD, LPCVD ou PECVD.

Claims: REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à placer le matériau (8) dans une enceinte électriquement isolante (2) et à le soumettre., dans l'enceinte, à un plasma d'un composé gazeux approprié au traitement, ce plasma étant obtenu par l'action d'un champ magnétique uniforme (Bo) et d'un champ électromagnétique radio-fréquence dont la composante magnétique (BT) est perpendiculaire au champ magnétique uniforme. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement est une gravure du matériau et en ce que le composé gazeux comprend au moins un gaz susceptible de donner, par décomposition, un élément apte à se combiner avec au moins l'un des éléments constituant le matériau pour donner un composé volatil. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé gazeux est un composé fluoré, carbono-fluoré ou chloré. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau est du silicium et en ce que le composé gazeux comprend de l'argon et de l'hydrogène. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le matériau se présente sous forme d'au moins une plaquette destinée à la fabrication de circuits intégrés et recouverte d'une couche protectrice discontinue délimitant des bandes sur la plaquette, pour y réaliser des tranchées pour caissons d'isolement ou y amorcer des chemins de découpe avant clivage. 6. Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce que le traitement est un dépôt d'une matière sur le matériau et en ce que le composé gazeux comprend au moins un gaz apte à donner la matière par décomposition. 7. Dispositif de traitement d'un matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend - une enceinte électriquement isolante (2), - des moyens (7) de support du matériau (8) dans l'en ceinte, - des moyens (13, 14) d'introduction dans l'enceinte et d'évacuation de celle-ci, d'un composé gazeux approprié au traitement, - des moyens (3) de production d'un champ magnétique uniforme (Bo) dans l'enceinte, et - des moyens (4) de production d'un champ électroma gnétique radio-fréquence dans l'enceinte, tel que sa composante magnétique (BT) soit perpendiculaire au champ magnétique uniforme, de manière à traiter le matériau en le soumettant à un plasma obtenu par ionisation du composé gazeux présent dans l'enceinte et soumis aux champs uniforme et radio-fréquence. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enceinte (2) présente la forme d'un tube et en ce que le champ uniforme est parallèle à l'axe (Z) du tube.

Inventors: BOUCHOULE, ANDRE, HENRY, DANIEL, RANSON, PIERRE, Bouchoule, André
Applicants: CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (CNRS), ETAT FRANCAIS REPRESENTE PAR LE MINISTRE DES PTT (CENTRE NATIONAL D'ETUDES DES TELECOMMUNICATIONS)
Application year: 1984
Main classification: H01L21
IPC codes: H01J37, H01L21