FR2606038A1 - Perfectionnement aux enceintes pour le traitement des substrats semiconducteurs - Google Patents

Abstract

ENCEINTE 10 POUR LE TRAITEMENT D'OBJETS ET NOTAMMENT POUR LE DEPOT OU LA GRAVURE SOUS DECHARGE LUMINESCENTE, DU GENRE COMPRENANT UNE PAROI CYLINDRIQUE 11, QUI EN COMBINAISON AVEC UNE PLAQUE DE FOND 12 ET UN COUVERCLE 13 DELIMITE UNE CHAMBRE 14, UNE ELECTRODE INFERIEURE 15 SUPPORTANT LESDITS OBJETS ET UNE ELECTRODE SUPERIEURE 16 RELIEE A UN GENERATEUR HF 19 CARACTERISEE ENCE QU'ELLE COMPREND EN OUTRE DES MOYENS DE CONFINEMENT DU PLASMA CONSISTANT EN UNE PLAQUE 24 DISPOSEE ENTRE LE DESSUS DE L'ELECTRODE SUPERIEURE ET LA PARTIE INFERIEURE DU COUVERCLE ET UNE COURONNE AMOVIBLE 26 FIXEE SUR LA PARTIE INFERIEURE DU COUVERCLE ET QUI VIENT S'APPLIQUER CONTRE L'ELECTRODE SUPERIEURE DE TELLE SORTE QUE LE VOLUME FORME ENTRE L'ELECTRODE SUPERIEURE ET LA PARTIE INFERIEURE DU COUVERCLE, SOIT ISOLE DE LA CHAMBRE.

Description

La présente invention se rapporte aux équipements de traitement des substrats semiconducteurs sous décharge luminescente et plus particulièrement à des perfectionnements aux enceintes destinées au dépôt de couches isolantes sur lesdits substrats.

Bien que l'invention ne se limite pas au depôt de couches isolantes sur des substrats semiconducteurs, typiquement en silicium, on n'envisagera dans la description qui va suivre, que ce seul cas, aux fins d'illustration.

Par dépot chimique en phase vapeur activée sous plasma" ou son expression équivalent "dépot chimique sous décharge luminescente", PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition selon la terminologie anglo-saxonne), on entend un ensemble de procédés qui consistent a provoquer dans une enceinte, une réaction chimique entre des gaz, donnant un produit solide qui se dépose sous la forme d'un film sur la surface du substrat à revêtir. En d'autres termes, le procédé de dépôt réactif sous décharge luminescente consiste essentiellement à provoquer un plasma dans un mélange réactif introduit dans une enceinte ou sont disposés les substrats à revêtir.

Une partie de l'activation de la réaction chimique est produite sous l'effet d'un champ électrique à haute fréquence crée entre deux électrodes. L'un des effets du plasma est de rompre certaines liaisons moléculaires des espèces gazeuses en présence et d'initier des réactions chimiques. Les substrats, répartis sur une électrode support placée au voisinage du plasma, se recouvrent alors d'un film dont la composition dépend du mélange gazeux utilisé.

On sait que le procédé de dépôt sous décharge luminescente est particulièrement intéressant lorsqu'on désire éviter au substrat une élévation importante de température, puisqu'il s'effectue à une température relativement faible: de l'ordre de 20 à 3500C. Il présente aussi d'autres avantages importants tels que la grande uniformité des compositions des couches obtenues, un taux de productivité élevé, etc...

Diverses conceptions d'enceinte de traitement ont été mises en oeuvre de façon connue dans l'art antérieur, pour réaliser ces réactions chimiques.

Selon une première technique décrite dans le brevet américain VSP 3 757 733 de Alan R. Reinberg délivré le ll septembre 1973 et intitulé "Radial Flow
Reactor", où les gaz cheminent d'abord sous l'électrode inférieure qui sort du support, du centre vers la périphérie de l'enceinte, avant de s'écouler sur la partie superieure de cette électrode. Les gaz sont ensuite pompés et évacués par un conduit, qui débouche dans la partie centrale de l'électrode inférieure. Cependant d'autres équipements ont un cheminement inverse des gaz.

Une autre technique consiste à introduire les gaz au centre de l'électrode supérieure en les répartissant dans l'enceinte à l'aide d'une paroi perforée ou poreuse, les gaz s'écoulent ainsi sur la partie supérieure de l'électrode inférieure où sont disposés les substrats; ils sont ensuite pompés et évacués par un conduit situé sous l'électrode inférieure comme cela est décrit dans la demande de brevet européen N" 844000002.6 déposée le 3 janvier 1984.

Dans tous les cas et notamment ceux cités ci-dessus, les gaz ne restent pas localisés dans la zone ou doit s'effectuer le dépôt, mais se répartissent plus ou moins dans l'enceinte, suivant la technique employée. Les gaz ainsi répartis subissent inévitablement une excitation électrique, ce qui provoque leur décomposition prématurée. Les radicaux ainsi crées se recombinent parfois rapidement, et forment des molécules qui se déposent. I1 en résulte que les parois de l'enceinte notamment, se recouvrent progressivement d'une fine couche isolante, peu adhérente, qui à tendance à se fendiller et s'effriter. Des particules de cette couche parasite, dont la taille est de l'ordre de quelques microns finissent par tomber sur l'électrode inférieure sur laquelle sont placés les substrats.Ces particules entraînent ainsi jnévitablement une contamination non désirée du film déposé. En outre, ces particules étant du même ordre de grandeur que les motifs réalisés sur les substrats lors des étapes de fabrication des semi-conducteurs, il en résulte egalement un nombre important de défauts lors des différentes étapes de fabrication et notamment celles de photolithographie, et en fin de compte une perte dans les rendements de fabrication.

Ces problèmes sont connus dans la technique. Ils sont rapportés par exemple dans le brevet des EUA NO 4 491 496. La solution qui est proposée dans ce brevet consiste à utiliser une enceinte métallique recouverte intérieurement d'une couche protectrice d'alumine Au 203 d'une épaisseur comprise entre 300 et 500 Clam. Cette couche est formée par projection au chalumeau à plasma. Sur une paroi ainsi traitée, le déport de la couche parasite sus-mentionnée, est réduit considérablement.

L'inconvénient majeur de cette solution est qu'elle requiert impérativement une enceinte métallique alors que de façon genérale une enceinte en quartz est souhaitable, ce matériau ayant la propriété d'être neutre, ce qui est un facteur naturel de réduction de la formation de cette fine couche parasite. Cependant une enceinte métallique devient indispensable pour les équipements de grande dimension. En outre, elle nécessite un traitement spécial relativement complexe de sa paroi interne. La couche protectrice en alumine obtenue est révélée d'une grande fragilité, notamment aux chocs. Enfin, si elle réduit notablement la décomposition parasite des gaz, cette solution ne la supprime pas totalement.

La présente invention a donc pour objet des perfectionnements aux enceintes qui évitent tous les problèmes relatifs au dépôt de la couche parasite qui se forme dans la partie supérieure de l'enceinte lors de l'étape de dépôt réactif sous décharge luminescente. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de confinement permettant de limiter les inconvénients sus-mentionnés, notamment en offrant aux gaz, un trajet préférentiel entre la zone d'introduction et l'électrode inférieure où sont placés les substrats. En outre, ce dispositif, d'une part améliore l'homogénéité du dépôt et d'autre part en confinant le plasma, et évite le décollement de la couche parasite qui se forme habituellement sur la partie supérieure de l'enceinte.

Ce dispositif situé entre l'électrode supérieure et le haut de l'enceinte, se compose d'une part d'une plaque de quartz disposée au dessus de cette électrode, et d'autre part d'une couronne amovible, réalisée à partir d'un matériau quelconque. I1 a pour fonction d'isoler le volume formé entre l'électrode supérieure et la partie inférieure du couvercle qui délimite le haut de l'enceinte.

Ce dispositif est utilisable quelque soit la technique employée pour porter le mélange gazeux dans un état réactif. Ce dispositif permet donc de limiter la répartition des gaz dans l'enceinte, et ainsi de supprimer l'excitation électrique qui pouvait en résulter.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux après, dans la description qui suit, qui comporte des exemples de réalisation donnés à titre indicatif, en référence aux dessins.

Dans les dessins
La figure 1 représente une vue en coupe schématique d'une enceinte classique pour équipement de dépôt réactit sous décharge luminescente, munie des perfectionnements de la présente invention.

La figure 2 illustre schématiquement un détail original desdits perfectionnements.

L'enceinte 10 représentée sur la figure 1 comprend fondamentalement un certain nombre d'éléments connus dans ce genre d'application, à savoir: une paroi cylindrique 11, en quartz ou en métal (aluminium, acier inoxydable..., si l'équipement est de grande dimension), une plaque de fond 12 et un couvercle 13, ces trois éléments délimitent, une chambre 14 ou se produit le plasma. Dans cette enceinte on trouve egalement des electrodes inférieure et supérieure, respectivement référencée 15 et 16. L'électrode inférieure 15 reçoit un ou plusieurs substrats, typiquement des substrats de silicium 17, et peut être montée sur un arbre tournant 18. L'électrode inférieure 15 est reliée à la masse, à la différence de l'électrode supérieure 16 qui est reliée à un générateur HF 19.L'enceinte comporte en outre, et de façon connue, un conduit de pompage 20 de gaz relié à une pompe, un conduit d'introduction des gaz 21 relié à des bouteilles de gaz, une résistance de chauffage 22 reliée à un circuit d'alimentation électrique, des moyens de mesure et/ou de régulation tels que référencés en 23, et éventuellement des écrans (non représentées). L'électrode supérieure 16 est rendue solidaire du couvercle 13 par une pièce 27 qui sert également à l'introduction des gaz réactifs.

En accord avec la présente invention, un premier perfectionnement consiste dans un dispositif de confinement qui comporte tout d'abord une plaque de quartz 24 recouvrant l'électrode sur toute sa surface, soit directement en contact ou soit surélevée par l'intermédiaire d'un anneau 25 comme représente. L'épaisseur de cet anneau est calculé selon les règles de l'art, et dépend du type d'équipement utilisé, et des paramètres de fonctionnement: fréquence HF, pressions, etc... afin d'éviter la formation d'une gaine entre l'électrode supérieure et la plaque de quartz. Cette épaisseur est de l'ordre de quelques millimètres. Le but de cette plaque en quartz est d'obtenir un ecran électriquement neutre entre l'électrode supérieure 16 et le couvercle 13.Le choix du quartz permet d'éviter une éventuelle décomposition de matériaux isolants dont les éléments constitutifs risqueraient de se dissocier et de se combiner avec les éléments de la réaction chimique, modifiant ainsi la nature du film déposé. En outre, grâce à ses propriétés thermiques, le quartz permet également de confiner le chauffage entre les électrodes, en limitant les pertes de chaleur dans la partie supérieure de l'enceinte. L'épaisseur de la plaque 24 n'est pas critique, on choisira par exemple une épaisseur de 0,5 à 1 cm. La résistance de chauffage 22 pouvant être indifféremment située, soit dans l'électrode supérieure 16, soit dans ou sous l'électrode inférieure 15.

Le dispositif de confinement représenté sur la figure 1 comporte également une couronne cylindrique amovible 26 de préférence en métal tel que l'aluminium, d'une hauteur comprise entre l'électrode supérieure 16 et le couvercle 13 sur lequel elle est fixée. Cette couronne permet de limiter la pénétration des gaz au-dessus de l'électrode 16.

Pour éviter la formation de la gaine, qui déclenche la création du plasma, on aurait pu placer l'électrode supérieure 16 contre le couvercle 13, cependant cette solution est pratiquement irréalisable en raison de la présence nécessaire d'un système de laision éléctrode/couvercle référencé en 27 sur la figure 1.

La figure 2 montre le détail de la fixation de l'anneau 26 sur le couvercle 13 pour le rendre amovible. L'anneau 26 est fixé sur un support annulaire 28 par un dispositif à baionnette schématiquement référencé en 29.

Le support annulaire 28 peut être fixé sur le couvercle par des vis 30. Sur la figure 2, l'anneau 26 est représenté en contact avec la plaque 24, cependant il pourrait être prolongé jusqu'à contenir intégralement l'électrode 16. Ainsi cette couronne permet de supprimer les dépôts isolants1 peu adhérent, qui se forment habituellement sur cette électrode et sur le couvercle qui délimite la partie supérieure de l'enceinte. Comme on l'a expliqué ci-dessus, ces dépôts sont difficiles à éliminer par les méthodes classiques de nettoyage. Une méthode consiste à utiliser des mélanges gazeux appropriés qui, contrairement au principe du dépôt réactif, vont former des radicaux qui vont se recombiner avec les éléments constituant les dépôts isolants; les espèces ainsi formées seront alors évacuées par pompage.

Généralement, cette méthode est insuffisante, et l'utilisateur a souvent recours à un démontage et un nettoyage manuel des éléments de l'enceinte. La couronne décrite dans la présente invention permet de remédier à cet inconvénient. La surface extérieure de cette couronne, en contact avec le mélange gazeux, étant réduite, les dépôts de matière isolante sont limités à cette seule surface.

Le nombre de particules libérées par ces dépôts sera également réduit, et ces dépôts seront plus facilement nettoyés par la méthode in situ décrite ci-dessus. Toutefois, si ce nettoyage se révèle insuffisant, le fait que cette couronne soit amovible, permet de limiter le nettoyage manuel à cette seule pièce, sans qu'il soit nécessaire de démonter les éléments constituant la partie supérieure de l'enceinte 10.

Les tableaux I et II qui suivent montrent respectivement les améliorations obtenues par la mise en oeuvre du dispositif de confinement de la présente invention dans l'étape de dépôt de SiO2 et de Si N sur des substrats en silicium.

TABLEAU I

<tb> <SEP> UNITES <SEP> EQUIPEMENT <SEP> EQUIPEMENT
<tb> <SEP> STANDARD <SEP> MODIFIE
<tb> PARAMETRE <SEP> DE
<tb> L'EQUIPEMENT
<tb> Pression <SEP> (torr) <SEP> 0,350 <SEP> 0,450
<tb> Débit <SEP> silane <SEP> (1) <SEP> (Sccm) <SEP> 2 <SEP> 400 <SEP> 1 <SEP> 300
<tb> Débit <SEP> NH3 <SEP> pur <SEP> (Sccm) <SEP> 1 <SEP> 500 <SEP> 300
<tb> Température <SEP> ( C) <SEP> 200 <SEP> 200
<tb> <SEP> Générateur
<tb> <SEP> Enceinte
<tb> Puissance <SEP> (Watt) <SEP> 180 <SEP> 180
<tb> Tension <SEP> (Volt) <SEP> 750 <SEP> 860
<tb> Intensité <SEP> (Ampère) <SEP> 0,65 <SEP> 0,90
<tb> RESULTATS <SEP> DU
<tb> PROCEDE
<tb> Vitesse <SEP> de <SEP> dépôt <SEP> 200 <SEP> 245
<tb> Indice <SEP> 1,51 <SEP> 1,50
<tb> Unif. <SEP> épaisseur <SEP> +/- <SEP> 4% <SEP> +/- <SEP> 4%
<tb> Unif.<SEP> indice <SEP> +/- <SEP> 0,5% <SEP> +/- <SEP> 0,5%
<tb> Contamination <SEP> nombre <SEP> de
<tb> <SEP> particules
<tb> <SEP> > 2microns/cm2 <SEP> 0,4 <SEP> 0,1
<tb> (1) 1,9 % de SiH4 dilué dans N2
TABLEAU II

<tb> <SEP> ! <SEP> ! <SEP> !
<tb> <SEP> ! <SEP> UNITES <SEP> ! <SEP> EQUIPEMENT <SEP> ! <SEP> EQUIPEMENT
<tb> <SEP> STANDARD <SEP> MODIFIE
<tb> PARAMETRE <SEP> DE
<tb> L'EQUIPEMENT
<tb> Pression <SEP> (torr) <SEP> 0,350 <SEP> 0,575
<tb> Débit <SEP> silane <SEP> (1) <SEP> ! <SEP> (Sccm) <SEP> ! <SEP> 2 <SEP> 750 <SEP> ! <SEP> 1 <SEP> 750
<tb> Débit <SEP> N2O <SEP> pur <SEP> (Sccm) <SEP> 55 <SEP> 45
<tb> Température <SEP> ( C) <SEP> 300 <SEP> 300
<tb> <SEP> Générateur
<tb> <SEP> Enceinte
<tb> Puissance <SEP> (Watt) <SEP> 920 <SEP> 320
<tb> Tension <SEP> (Volt) <SEP> 750 <SEP> 550
<tb> Intensité <SEP> (Ampère) <SEP> 1,5 <SEP> 2,5
<tb> PESULTATS <SEP> DU
<tb> PROCEDE <SEP> <SEP> i <SEP> i <SEP>
<tb> <SEP> ! <SEP> ! <SEP> ! <SEP>
<tb> Vitesse <SEP> de <SEP> dépôt <SEP> ! <SEP> ! <SEP> 278 <SEP> ! <SEP> 245
<tb> <SEP> ! <SEP> ! <SEP>
<tb> Indice <SEP> 1,946 <SEP> 1,924
<tb> Unif. <SEP> épaisseur <SEP> +/- <SEP> 3% <SEP> +/- <SEP> 2,5%
<tb> Unit. <SEP> indice <SEP> +/- <SEP> 0,4% <SEP> +/- <SEP> 0,3%
<tb> Contamination <SEP> nombre <SEP> de
<tb> <SEP> particules
<tb> <SEP> > 2microns/cm2 <SEP> 0,80 <SEP> 0,12
<tb> (1) 1,9% de SiH4 dilué dans N2
Les avantages de l'invention, notamment en ce qui concerne la réduction de la contamination particulaire ressortent bien des résultats montrés sur les tableaux I et II.

Si l'invention trouve une application privilégiée dans le dépôt de couches isolantes sur des substrats de silicium, elle peut être généralisée au dépôt de couches de nature quelconque (isolantes, conductrices, semi-conductrices) et sur des substrats quelconques (métalliques, semi-conducteurs, isolants).

Bien que l'on ait envisagé dans la description le seul cas du dépot réactif sous décharge luminescente, l'invention ne se limite pas au seul dépôt, la chambre objet de la présente invention trouve également une application dans les procédés de gravure réactive sous décharge luminescente.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Enceinte 10 pour le traitement d'objets tels que des substrats en

silicium, et notamment pour le dépôt ou la gravure sous décharge

luminescente, du genre comprenant une paroi cylindrique (11), qui en

combinaison avec un plaque de fond (12) et un couvercle (13) délimite

une chambre (14), une électrode inférieure (15) supportant lesdits

objets et une électrode supérieure (16) reliée à un générateur HF (19)

caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de confinement

du plasma consistant en une plaque (24) disposée entre le dessus de

l'électrode supérieure et la partie inférieure du couvercle et une

couronne (26) fixée sur la partie inférieure du couvercle et qui vient

s'appliquer contre l'électrode supérieure de telle sorte que le volume

formé entre l'électrode supérieure et le couvercle, soit isolé.

2. Enceinte selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau

constituant ladite plaque est du quartz.

3. Enceinte selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite plaque

soit vient en contact avec le dessus de l'électrode supérieure, soit est

légèrement espacée par un anneau (25).

4. Enceinte selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que les

dimensions -de la plaque sont approximativement celles de l'électrode

supérieure, et que son épaisseur est de l'ordre de 5 mm.

5. Enceinte selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que

ladite couronne est en aluminium.

6. Enceinte selon la revendication 5 en ce que ladite couronne est

amovible.