FR2747840A1 - Appareil d'irradiation combinee par un faisceau d'ions et un rayonnement micro-onde, et procede associe - Google Patents

Abstract

Il est décrit un appareil (10) qui effectue l'implantation d'ions (18) dans un substrat (14) et qui recuit les dommages liés à l'implantation par irradiation à l'aide de micro-ondes (26). Les micro-ondes chauffent le substrat jusqu'à une température prédéterminée avant que l'implantation des ions ne commence et on continue de les appliquer pendant l'implantation. Lorsqu'une dose d'implantation voulue a été atteinte, on arrête le faisceau d'ions et le rayonnement micro-onde à peu près en même temps et on laisse le substrat se refroidir rapidement par rayonnement sur les parois refroidies de la chambre (12), ce qui a pour effet d'empêcher une redistribution latérale importante de l'agent de dopage. La chambre portant le substrat, l'orifice (19) de celle-ci destiné au faisceau d'ion et l'orifice (24) destiné aux micro-ondes sont conçus de manière à faciliter le couplage des micro-ondes (26) avec le substrat (14) et pour éviter le couplage des micro-ondes avec le dispositif d'implantation d'ions.

Description

La présente invention concerne des appareils et des procédés visant à

irradier des substrats à l'aide d'une combinaison de particules énergétiques et de

micro-ondes afin d'en modifier les propriétés.

Il est bien connu, dans le domaine de l'électronique, que l'on peut utiliser un bombardement par des ions et une implantation d'ions pour changer localement les propriétés de substrats. On utilise largement l'implantation d'ions dans des substrats semiconducteurs afin de réaliser des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs et d'autres types d'éléments électroniques. Parfois, les ions implantés sont des ions dopants et, d'autre fois, il peut s'agir d'ions qui produisent des composés, par exemple qui produisent du dioxyde de silicium dans

des substrats de silicium.

Une des conséquences de l'implantation d'ions est le dommage causé au cristal. Plus la dose implantée est élevée, et plus le dommage est grand. Il est ordinairement nécessaire de chauffer le substrat pour recuire les dommages du cristal et, ou bien, pour activer les ions implantés (c'est-à-dire les rendre électriquement actifs). Dans le présent contexte, le mot "recuit" est destiné à

contenir la notion d'activation.

La relation entre dose implantée et température de recuit est complexe, en particulier lorsque la dose implantée est suffisamment importante pour produire des boucles de dislocations ou bien pour approcher de la limite de solubilité à l'état solide de l'agent de dopage dans le substrat ou le niveau nécessaire pour créer un composé stoechiométrique avec le substrat. Le recuit doit souvent être effectué à des températures élevées et pendant des durées importantes. Il n'est pas rare, dans le cas du silicium par exemple, d'effectuer un recuit à une température de l'ordre de 103 C pendant des durées de l'ordre de 102 à 103 min. La durée des opérations d'implantation et de recuit et l'énergie qu'elles demandent peuvent augmenter fortement le coût des dispositifs électroniques formés dans le substrat. Selon la dose, le dommage résiduel lié à l'implantation est parfois très difficile, voire impossible, à recuire à l'aide de techniques classiques, et le dommage résiduel peut dégrader sévèrement les performances des dispositifs. Par conséquent, le besoin de

moyens et de procédés perfectionnés d'implantation et de recuit continue d'exister.

Dans la technique, on connaît la pratique consistant à recuire en chauffant dans des fours classiques ou en faisant appel à diverses sources de lumière du domaine visible et infrarouge (voir par exemple S. M. Sze, "Semiconductor Technology", McGraw-Hill, New York, 1985, page 252, Fig. 23), ainsi qu'en appliquant des micro-ondes (voir par exemple le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 5 284 795 de Gay et ai., "Thermal Annealing of Semiconductor Devices", déposé le 9 décembre 1991 sur la base du brevet français n 9 016 040, lui-même déposé le 20 décembre 1990). Toutefois, ces procédés techniques souffrent d'un certain nombre d'inconvénients ou de limitations que l'homme de l'art connaît bien. Par conséquent, le besoin continue d'exister de moyens et de

procédés améliorés d'implantation et de recuit.

La description suivante, conçue à titre d'illustration, vise à donner une

meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié montrant un appareil combiné d'implantation d'ions et de chauffage par micro-ondes selon un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 2 est un schéma simplifié d'une partie de l'appareil de la figure 1, montrant des détails supplémentaires de la chambre destinée à loger des substrats cibles; la figure 3 est un schéma simplifié analogue à la figure 1, qui montre un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est un organigramme simplifié du procédé de l'invention selon un mode de réalisation préféré; la figure 5 est un diagramme simplifié, donné à titre d'exemple, montrant la température en fonction du temps pour le processus illustré sur la

figure 4.

La présente invention concerne des moyens et des procédés perfectionnés permettant de modifier les propriétés de substrats par irradiation des substrats à l'aide de micro-ondes pendant l'implantation d'ions. Pour la commodité de l'explication, et sans aucune intention limitatrice, on décrira le moyen et le procédé selon l'invention dans le contexte d'un exemple lié à l'implantation d'ions dans des substrats semiconducteurs, en vue de modifier localement leurs propriétés électriques et autres. L'invention se révèle particulièrement utile en liaison avec des substrats semiconducteurs, par exemple du silicium, mais elle n'est limitée ni au silicium, ni à d'autres substrats semiconducteurs. De plus, l'invention peut être appliquée à des substrats complexes, ou ayant plusieurs couches ou faits de plusieurs matériaux, aussi qu'à des substrats homogènes et à des substrats

polycristallins aussi bien que monocristallins, ainsi qu'à leurs combinaisons.

La figure 1 représente un schéma simplifié montrant un appareil combiné 10 d'implantation d'ions et de chauffage par micro-ondes, selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 2 montre des détails supplémentaires de la chambre d'échantillons 12 contenant le substrat 14, tandis que la figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Sur les figures 1-3, on

utilise les mêmes numéros de référence pour identifier les éléments analogues.

Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, l'appareil 10 comprend une chambre d'échantillons 12 contenant le substrat 14. Pour la commodité des explications et sans aucune intention limitatrice, le substrat 14 sera décrit comme une plaquette de silicium monocristallin classique dont le diamètre, 17, est d'environ 100 mm et dont l'épaisseur est d'environ 0,5 mm, bien que ceci ne soit essentiel. Il est possible d'utiliser n'importe quel substrat approprié, de taille plus

grande ou plus petite, selon les souhaits de l'utilisateur.

Le dispositif 16 d'implantation d'ions envoie un faisceau d'ion 18 au travers d'une section de couplage 19 sur la face avant 20 du substrat 14. Le dispositif 16 d'implantation d'ions peut être un dispositif d'implantation d'ions par arrosage ou balayage. Dans l'essai effectué, est apparu comme tout à fait convenable un dispositif d'implantation par balayage à courant moyen (Eaton, modèle NV-3206). Celui-ci produit un faisceau approximativement cylindrique formé, par exemple, d'ions de bore, d'oxygène, etc., le diamètre étant d'environ 7 à 8 mm et le courant du faisceau étant d'environ 50 à 500,uA avec un potentiel d'accélération d'environ 30 à 150 kV. Toutefois, il est possible d'utiliser n'importe quel dispositif d'implantation approprié dans la mesure o celui-ci est capable de fournir les courants de faisceau, les potentiels d'accélération et les types d'ions qui sont souhaités pour une application particulière. Un dispositif 22 de contrôle du courant du faisceau est commodément disposé de façon à déterminer le courant de

faisceau d'ions et la dose totale qui sont fournis par le dispositif d'implantation 16.

Une section guide d'ondes 24 est couplée de manière appropriée à la face antérieure 13 de la chambre d'échantillons 12 de façon à diriger le

rayonnement micro-onde 26 contre la face antérieure 20 de la plaquette 14.

Comme l'homme de l'art l'aura compris sur la base de la présente description, le

rayonnement micro-onde 26 peut se propager dans la chambre 26 en traversant ou en contournant le substrat 14 et, par conséquent, il entoure le substrat 14 et y pénètre. Comme section guide d'ondes 24, on utilise commodément un quart de

cercle afin de faciliter le couplage du faisceau d'ions 18 à la chambre 12.

La section de guide d'onde 24 est couplée à un générateur 30 de microondes qui délivre le rayonnement micro-onde 26 à la section guide d'ondes 24 et à la plaquette 14. Le générateur de micro-ondes 30 comprend, commodément, la source de rayonnement micro-onde 32, la section 36 de mesure de puissance servant à déterminer au moins la puissance réfléchie Pr, si l'on suppose que la puissance d'entrée Pi est connue, ou bien de déterminer à la fois Pi et de Pr de façon que la puissance nette Pn (= Pi - Pr) transférée à la plaquette 14 soit connue ou puisse être déterminée. La section 36 de mesure de puissance est couplée de façon appropriée à la section 38 d'adaptation qui réalise l'adaptation d'impédance du générateur à la charge. Les éléments particuliers et les guides d'ondes de raccordement qui constituent le générateur de micro-ondes 30 sont classiques et peuvent être trouvés sur le marché commercial. Une source de micro-ondes pouvant produire plusieurs kilowatts de puissance à une fréquence comprise entre un demi et plusieurs gigahertz convient. Par exemple, un magnétron fournissant environ 2 kW à une fréquence d'environ 2,45 GHz a été utilisé, mais il est possible de faire également appel à des fréquences supérieures ou inférieures et à des puissances supérieures ou inférieures. Il est souhaitable d'utiliser les fréquences qui couplent de manière

efficace la chambre d'échantillons 12 et la plaquette 14.

Un joint d'étanchéité 40, par exemple une fenêtre de quartz, est prévu pour séparer le générateur de micro-ondes 30 vis-à-vis de la section 42 placée

sous vide, à l'intérieur de laquelle se trouvent le faisceau d'ions 18 et le substrat 14.

De cette manière, le générateur de micro-ondes 30 ne doit pas nécessairement être rendu étanche, ni fonctionner dans le vide. La section 42 placée sous vide doit simplement comporter les parties de l'appareil 10 qui ont besoin de conditions de fonctionnement sous vide. Ceci se limite généralement aux parties de l'appareil 10 faisant intervenir le faisceau d'ions 18. La chambre d'échantillons 12 est commodément comprise dans la partie sous vide 42. Il est souhaitable que la section de couplage 19 dans laquelle passe le faisceau d'ions 18 ait des dimensions latérales 27 la mettant en deçà de la fréquence de coupure fco pour la propagation des micro-ondes qui sont utilisés si bien que, dans la plus grande mesure possible, la section 19 n'affect' pas notablement le champ de micro-ondes au niveau de la

plaquette 14 ou ne permette pas que des quantités importantes d'énergie micro-

onde soient renvoyées dans le dispositif d'implantation d'ion 16. Il s'agit là d'une particularité de l'invention. La section de couplage 19 peut avoir une section droite circulaire, rectangulaire ou autre, selon ce qui convient à l'utilisateur ou au dispositif particulier d'implantation, ou à d'autres parties du système, dont le

fonctionnement serait perturbé par les micro-ondes 26.

La chambre d'échantillons 12 peut avoir une section droite circulaire ou rectangulaire et être conçue de façon à supporter divers modes de propagation de micro-ondes, comme, à titre d'exemple et sans limitation, des modes de propagation TE01, TEI0 ou TE11. Une chambre circulaire est apparue comme assez commode, pour un diamètre 42 d'environ 120 mm et une longueur 44 d'environ 40 à 60 mm, mais d'autres dimensions pourraient également être utilisées, dans la mesure o elles faciliteraient le montage du substrat 14 et l'application de l'énergie micro-onde à celui-ci. Des ondes stationnaires existeront généralement à l'intérieur de la chambre 12, qui peut faire fonction de cavité pour

micro-ondes.

La section guide d'ondes 24, présentant des dimensions latérales 25, peut être circulaire ou rectangulaire, ou avoir toute autre forme appropriée, et elle peut avoir une section droite uniforme ou qui va en rétrécissant. Une section rectangulaire convient. Il est important de prévoir un couplage approprié des micro-ondes avec la chambre d'échantillons 12, de façon que le maximum d'énergie puisse être transféré au substrat 14. La forme et la taille exacte de la section guide d'ondes 24 dépendront de la fréquence des micro-ondes, de la forme de la chambre d'échantillons 12, de la manière dont le couplage est effectué, selon le choix de l'utilisateur, et des modes de propagation de micro-ondes qui sont excités à l'intérieur de la chambre d'échantillons 12. Par exemple, la section guide d'ondes 24 présente commodément une section droite rectangulaire dont les dimensions latérales sont d'environ 4,3 x 8,7 cm, pour un fonctionnement à

2,45 GHz environ.

On monte commodément le substrat 14 de façon que sa face antérieure principale 20 soit perpendiculaire à l'axe 46 de la chambre 12 et soit axialement centrée dans cette dernière. La plaquette 14 est commodément montée par exemple au moyen de trois ou plus de trois montants diélectriques 50, ou à l'aide d'autres moyens de support. Il est souhaitable que les montants ou les autres moyens de support assurent une isolation thermique vis-à-vis des parois conductrices de la cavité 12 et ne perturbent pas fortement l'énergie micro-onde couplée à la plaquette 14, de façon qu'on évite les effets nuisibles à l'uniformité du chauffage de la plaquette (lorsqu'on souhaite une telle uniformité). Pour empêcher une perturbation du faisceau d'ions 18 due à la charge, on prévoit un fil électriquement conducteur 52 destiné à assurer la fuite de toute la charge s'accumulant sur les parois de la cavité 12, ou tout autre potentiel de référence. Il est souhaitable que le

fil 52 soit fait d'un matériau pouvant supporter les températures élevées.

La face antérieure 20 de la plaquette 14 est commodément placée à une certaine distance, 48, vis-à-vis de la face antérieure 13 de la chambre 12. Une distance 48 de 2 à 4 mm a été trouvée commode, mais des distances plus importantes ou plus réduites peuvent être utilisées dans la mesure o le substrat 14 est placé dans une région o le champ des micro-ondes présente une intensité

relativement importante. Il est souhaitable que l'intensité du champ de micro-

ondes soit latéralement uniforme sur la partie du substrat que l'on souhaite chauffer. Il est préférable que l'orientation des ondes électromagnétiques par rapport au substrat 14 (voir la figure 2) soit telle que le vecteur de Poynting P exprimant la direction d'avancement de la puissance micro-onde (c'est-à-dire P = E x H) soit orienté suivant l'axe 46 de la cavité de la chambre 12 et soit perpendiculaire à la face 20 du substrat 14. Le vecteur champ électrique E et le vecteur champ magnétique H sont disposés parallèlement au plan de la face 20 de la plaquette, mais ceci n'est pas essentiel. Il est souhaitable que le substrat 14 soit placé à l'intérieur de la chambre 12 à l'emplacement d'un maximum du système d'ondes stationnaires du rayonnement micro-onde 26 ou, au moins, en un emplacement qui donne une intensité de champ importante dans le plan de la plaquette. La polarisation des micro-ondes 26 au voisinage et à l'intérieur de la chambre d'échantillons 12 peut être rectangulaire, circulaire ou elliptique. Alors que la chambre d'échantillons 12 peut être conçue de façon à permettre différents modes de propagation des micro-ondes, il est souhaitable de choisir des modes qui assurent la répartition d'énergie micro-onde la plus uniforme dans le substrat 14 et sur le diamètre 17 du substrat 14, dans le cas o l'on souhaite que le chauffage soit

uniforme.

De manière souhaitable, on prévoit des serpentins de refroidis-

sement 54 pour maintenir les parois de la chambre d'échantillons 12 à une faible température par rapport au substrat 14. De l'eau ou un autre fluide peut circuler dans les serpentins 54 à cet effet. Il est souhaitable de maintenir les parois de la chambre d'échantillons 12 à une température relativement basse pour éviter le dégagement sous forme de gaz ou la sublimation d'agents contaminants présents dans les parois de la chambre 12 et pour offrir un puits thermique destiné à faciliter un refroidissement radiatif rapide du substrat 14 après la coupure de la fourniture du rayonnement micro-onde 26. Dans les expériences effectuées, la chambre d'échantillons 12 était faite en un alliage de cuivre, mais il est également possible d'utiliser du cuivre pur, de l'aluminium, des alliages d'aluminium ou d'autres conducteurs relativement bons. Alors que les serpentins 54 et l'eau conviennent pour refroidir la chambre d'échantillons 12, on peut également utiliser d'autres montages d'élimination de la chaleur, qui sont bien connus dans la technique. Par exemple, sans que ceci constitue une limitation, la chambre 12 peut présenter une double paroi à l'intérieur de laquelle circule un fluide de refroidissement (liquide ou gazeux), dans des canaux aménagés entre les parois extérieure et intérieure, ou bien la chambre d'échantillons 12 peut être dotée d'ailettes et refroidie par passage d'un gaz ou d'un liquide sur les ailettes, ou bien on peut également utiliser une

combinaison de tubes, de canaux et, ou bien, d'ailettes.

Il est également possible de coupler le guide d'ondes 24 à d'autres faces de la chambre d'échantillons 12, au lieu de la face 13, ou en plus de cette seule face 13. Par exemple, dans l'appareil 10' de la figure 3, des micro-ondes 26 sont envoyés via la face arrière 15 de la chambre 12, de sorte que le vecteur de Poynting P est dirigé vers la face arrière 21 de la plaquette 14. Sur la figure 3, la section de guide d'ondes 24' est rectiligne au lieu d'être courbe comme sur la figure 1, mais ceci n'est pas essentiel et tout moyen permettant d'introduire le rayonnement micro-onde suffit. Les faces avant et arrière de la chambre 12 ne sont

pas les seules possibilités permettant l'introduction du rayonnement micro-

onde 26. Celui-ci peut être appliqué à la chambre 12 par n'importe quel moyen approprié, par exemple via la face avant, la face arrière, une ou plusieurs des faces latérales, ou une combinaison de celles-ci. De plus, il est possible d'utiliser des encoches, des réseaux ou d'autres ouvertures de couplage, ou encore des antennes, pour améliorer la distribution de l'énergie micro-onde à l'intérieur de la chambre d'échantillons 12 et son couplage au substrat 14. Ce qui est important est que l'énergie micro-onde soit appliquée de manière efficace au substrat 14 et avec une uniformité spatiale raisonnable, de façon que la partie intéressante du substrat 14 soit chauffée de la manière la plus uniforme que l'on peut souhaiter. De plus, la partie 19 relative au faisceau d'ions peut présenter une ouverture 29 de façon à aider d'empêcher la propagation des micro-ondes 26 en direction du dispositif d'implantation 16, dans la mesure o l'ouverture 29 n'interférera pas avec le

faisceau de balayage 18 (venant d'un dispositif d'implantation du type à balayage).

La figure 4 représente un organigramme simplifié qui montre un processus 60 d'implantation et de recuit selon l'invention, et la figure 5 est un exemple d'un diagramme température-temps se rapportant au processus de la figure 4. Pour la commodité des explications, on supposera que le substrat 14 est fait de silicium. Le processus 60 comprend l'opération 62, dans laquelle la plaquette 14 est chargée dans la chambre 12 prête pour le traitement. L'opération 62 présente une durée 63 d'environ 10 à 20 s. Ensuite, dans l'opération 64, on active la source de micro-ondes 30 de façon que cette dernière arrose la plaquette 14 au moyen de micro- ondes 26. L'opération 64 a pour objet d'élever la température de la plaquette 14 (opération 66) jusqu'à une température prédéterminée Tp, par exemple dans l'intervalle de 600 à 1 300 C, et plus commodément de 900 à 1 200'C, et typiquement environ 1 000-C, pour des

substrats de silicium, mais d'autres températures peuvent également être utilisées.

L'homme de l'art comprendra, sur la base des enseignements présentement proposés, que des matériaux de substrat différents demandent des valeurs de Tp différentes. L'opération 66 de chauffage de la plaquette, ou "montée en

température", a une durée 65. La durée 65 dépend du niveau de puissance micro-

onde appliqué. Il faut appliquer une puissance suffisante pour chauffer le substrat 14 jusqu'à Tp en un laps de temps d'environ 60 s, de préférence d'environ s, et, encore de préférence, d'environ 10 s, ou même moins. Le chauffage de la plaquette jusqu'à une température de l'ordre de 1 000C peut être réalisé en des

durées de 10 s ou moins en raison du taux élevé de transfert d'énergie des micro-

ondes 26 à la plaquette de silicium 14 et de l'isolation thermique de la plaquette 14 à l'intérieur de la chambre d'échantillons 12 placée sous vide. Pour les plaquettes de silicium couramment utilisées pour la fabrication de puces, il est apparu que ceci pourrait s'accomplir à l'aide de niveaux de puissance micro-onde d'environ

W/cm2.

Lorsque la plaquette 14 atteint la température Tp prédéterminée, on met en service le dispositif d'implantation 16, lors d'une opération 68, afin d'envoyer des ions 18 sur la plaquette 14. Avec le dispositif d'implantation à courant moyen utilisé, le faisceau 18 balaye la plaquette 14 environ 4 000/100 (x/y) fois par seconde. La durée 69 de l'implantation dépend des capacités en courant du dispositif d'ir. plantation 18 et de la dose à implanter pour produire le

changement voulu dans les propriétés du substrat, comme choisi par l'utilisateur.

La durée 69 de l'implantation varie, mais des durées de 50 à 120 s sont typiques de l'implantation de niveaux utiles d'agents dopants (par exemple de 1015 à 1016 ions/cm2) dans du silicium en vue de la formation de transistors ou d'autres dispositifs à l'aide d'un dispositif d'implantation à courant moyen. On peut utiliser des durées plus longues ou plus courtes, selon le niveau de dopage de fond de la plaquette et le niveau de dopage par les impuretés d'implantation qui est souhaité par l'utilisateur, ainsi que des capacités en courant du dispositif d'implantation. Par exemple, lorsqu'on est en train de créer des couches diélectriques enterrées dans un substrat semiconducteur, des durées d'implantation de l'ordre de 3 600 s peuvent

être nécessaires, selon les capacités en courant du dispositif d'implantation, c'est-

à-dire pendant le temps nécessaire pour que le dispositif d'implantation délivre

environ 1018 ions/cm2.

A la fin de la durée 69 d'implantation, on arrête le dispositif d'implantation 16 (opération 70), c'est-à-dire qu'on supprime l'application du faisceau d'ions 18 à la plaquette 14. On effectue l'opération 72 (coupure des

micro-ondes) dans la limite d'un retard temporel 71 par rapport à l'opération 70.

L'opération 72 peut s'effectuer par coupure de la source de micro-ondes 30 ou par simple déviation des micro-ondes 66 de façon qu'elles n'atteignent plus la chambre 12. Le retard temporel 71 peut être positif (on interrompt les micro-ondes après avoir coupé le faisceau d'ions), négatif (on interrompt les micro-ondes avant l'extinction du faisceau d'ions), ou à peu près nul (on coupe les micro-ondes et le faisceau d'ions à peu près en même temps). Il est en général souhaitable que le retard temporel 71 soit approximativement nul ou positif, c'est-à-dire que t72 2

t70, o t désigne le temps et tjk désigne le temps o l'opération "jk" est effectuée.

Alors que l'opération 72 (coupure des micro-ondes) peut avoir lieu avant l'opération 70 (coupure de l'implantation), c'est-à-dire que, dans ce cas, le retard temporel 71 est négatif, ceci est moins souhaitable, puisque le probabilité qu'il existe un dommage résiduel lié à l'implantation qui n'aurait pas été recuit augmente à moins que l'emplacement du substrat subissant l'implantation ne soit maintenu à

Tp ou en son voisinage.

L'amplitude du retard temporel 71 (qu'il soit positif ou négatif) est ordinairement s 20 % de la durée 69, de manière souhaitable s 10 %, et mieux encore s 5 % et, de préférence, s 2-3 % de la durée 69. Pour un retard 71 négatif (la coupure des micro-ondes a lieu d'abord), plus l'amplitude du retard 71 est petite et moins le risque existe d'un dommage résiduel lié à l'implantation. Pour un retard 71 positif (on coupe le faisceau d'ions d'abord), plus l'amplitude du retard 71 est petite, et moins le risque d'une redistribution importante des agents de dopage est élevé. Il est apparu que des retards temporels 71 compris dans un intervalle de +0-10 s conviennent, qu'ils conviennent mieux s'ils sont dans l'intervalle de 0 à s, et, de préférence, de 0 à 3 s. On peut laisser en activité les micro-ondes pendant une durée de temps importante après l'arrêt de l'implantation. Ceci a pour effet de maintenir la plaquette à une température élevée après que les ions de l'agent de dopage ont été placés à l'intérieur de la plaquette. Ceci est utile lorsque de très lourdes doses d'agents réactifs chimiques ont été implantés pour former par exemple des couches de nitrure ou d'oxyde enterrées. Dans de tels cas, la dose d'implantation doit dépasser la limite de solubilité à l'état solide relative à ces ions pour former un

nitrure ou un oxyde stoechiométrique, ou un autre composé.

Dans l'opération de refroidissement 74, d'une durée 75, la température de la plaquette 14 diminue rapidement jusqu'à environ la température ambiante, ou, au moins, jusqu'à une température suffisamment base pour que toute diffusion supplémentaire des ions implantés cesse effectivement et que le substrat puisse être, de manière sûre, placé dans l'atmosphère (opération 76). Le refroidissement s'effectue de manière convenable par refroidissement radiatif de la plaquette 14 sur les parois refroidies de la chambre d'échantillons 12. Toutefois, on peut aussi arroser la plaquette au moyen d'un gaz relativement inerte (c'est-à-dire un gaz qui ne produit pas de réactions chimiques non souhaitables avec le substrat aux températures considérées) afin d'assurer un refroidissement par convection et par conduction et, ainsi, accélérer le processus de refroidissement. Après l'opération 76, on transfère la plaquette à la phase suivante du processus général de fabrication des dispositifs, comme indiqué en 78. La durée de refroidissement 75, à partir de la température Tp valant environ 1 000"C, est d'environ 10 s, et la durée

d'enlèvement 77 est d'environ 10 s.

Le temps total nécessaire au traitement d'une plaquette utilisant le

processus ci-dessus présenté est d'environ 110 à 170 s, selon la dose implantée.

Dans du silicium de type n ayant une conductivité de 0,1 à 8 2.cm, une dose de bore correspondant à environ 1015 ions/cm2 produit une profondeur de jonction d'environ 1 à 3,umn et une dose correspondant à environ 1016 ions/cm2 produit une

profondeur de jonction d'environ 3 à 6,um.

Le temps nécessaire pour l'exécution du processus combiné implantation d'ions + chauffage par micro-ondes selon l'invention peut être comparé au processus classique réalisant séquentiellement l'implantation et le recuit. Le temps nécessaire pour charger le dispositif d'implantation, effectuer l'implantation et décharger le dispositif d'implantation est approximativement le même dans les deux processus et n'affecte donc pas la comparaison. Dans le processus selon l'invention, le recuit s'effectue pendant l'opération d'implantation, de sorte qu'aucune opération supplémentaire de recuit n'est nécessaire. Ainsi, seul les temps de monté de la température (opération 66, c'est-à-dire chauffage de la plaquette) et de descente de la température (opération 74, soit refroidissement de la

plaquette) restent à comparer dans les deux processu Pour le processus de l'invention, les opérations 66 de chauffage et 74 de

refroidissement, ayant des durées respectives 65 et 75, demandent environ 10 + 10 = 20 s au total pour chaque plaquette, si l'on suppose qu'on traite une seule plaquette à la fois. Il n'y a pas de temps de recuit supplémentaire à ajouter pour le

procédé de l'invention, puisque le recuit a lieu en même temps que l'implantation.

Les recuits en four s'effectuent typiquement sur des lots de 200 plaquettes chacun.

Les temps typiques de montée, de recuit et de redescente d'un processus classique sont respectivement de 40 + 120 + 60 = 220 min, ou 13 200 s. En divisant par la grandeur du lot, on obtient un temps d'environ 13 200/200 = 66 s par plaquette. Il

existe donc un gain net d'environ 66 - 20 = 46 s par plaquette.

Puisqu'on fabrique plusieurs millions de plaquettes par an, le temps et le coût que l'on peut économiser au total sont importants. En outre, il existe une économie importante d'énergie, puisqu'il n'est pas nécessaire de chauffer le grand appareil qui est associé à un four thermique, que l'on laisse ordinairement fonctionner en continu indépendamment de son utilisation pour le recuit. Il existe aussi une économie lorsqu'on compare au chauffage par des lampes à quartz, lesquelles sont également moins rentables en raison de l'absorption plus élevée de leurs chambres. Ainsi, le processus selon l'invention est sensiblement plus efficace et apporte des avantages souhaitables en matière d'économie de temps et de coût

par rapport à la technique antérieure.

On a découvert que, lorsqu'on souhaitait former des couches diélectriques enterrées, par exemple par implantation d'oxygène ou d'azote, une implantation en deux étapes était très souhaitable. Par exemple, on commence par effectuer l'implantation dans un substrat de silicium pendant environ 10 min jusqu'à une dose d'environ 0,6 x 1018 ions O+/cm2, la température moyenne atteinte par la pastille étant d'environ 600 à 650 C du seul fait du faisceau d'implantation. Cette opération est suivie par une deuxième phase, d'environ 20 min au même courant (environ 12 mA) de faisceau, o on augmente la dose d'ions d'oxygène jusqu'à environ 1,8 x 1018 ions O+/cm2 tandis qu'on applique les micro-ondes à raison de 40 W/cm2 afin d'élever la température du substrat dans la région balayée jusqu'à environ 1 000'C pendant l'opération d'implantation. On peut aussi utiliser des températures supérieures ou inférieures, mais il est souhaitable que l'implantation de la première étape s'effectue à une température inférieure à environ 800C et que l'implantation de la deuxième étape s'effectue à une température supérieure à environ 900'C, de préférence 2 1 000C. Le processus en deux étapes ci-dessus décrit produit une couche d'oxyde enterrée faite de SiO2 stoechiométrique sur une épaisseur d'environ 0,4 um, approximativement 0,2-0,25,um au-dessous de la surface du substrat, la couche intermédiaire de silicium ayant une bonne qualité cristalline. Les résultats obtenus sont comparables ou supérieurs à ceux qu'on obtient en effectuant une implantation jusqu'à environ 1,1 x 1018 ions O+/cm2, que l'on fait suivre d'un recuit en four durant 6 h à une température de 1 200 à 1 300C, selon le processus classique. Ainsi, on peut obtenir, avec le processus de l'invention, des couches diélectriques enterrées aussi

bien que des régions dopées.

Il a en outre été découvert que le processus de l'invention ne produisait pas une redistribution importante des régions dopées précédemment formées. Ceci est dû au fait que le temps passé à la température élevée pendant le processus selon l'invention est généralement de plusieurs ordres de grandeur inférieur au temps de recuit des processus séquentiels classiques implantation + recuit. Ceci est d'une grande utilité pratique, puisqu'on simplifie alors à la fois le dispositif et le processus. Par ailleurs, selon la technique antérieure, chaque nouvelle opération d'implantation et de recuit provoque un déplacement des jonctions précédemment formées, et il faut tenir compte de ces modifications complexes. Le présent

processus évite ou minimise cette complexicité et est donc extrêmement utile.

Il a en outre été découvert qu'il existait un effet de coopération, dans le substrat, entre l'implantation des ions et les micro-ondes, lequel accélère le recuit des dommages liés à l'implantation au delà de ce sur quoi on pouvait compter sur la seule base de la température de la plaquette et qui empêche la diffusion latérale de l'agent de dopage implanté. Lorsque les ions décelèrent du fait des collisions ayant lieu dans le substrat, des porteurs libres supplémentaires sont produits qui augmentent localement l'absorption de l'énergie micro-onde dans une petite région du substrat se trouvant juste en-dessous du faisceau d'ions qui la frappe. Ces porteurs supplémentaires absorbent l'énergie des micro-ondes. Cette énergie supplémentaire est partiellement retransmise au réseau cristallin, ce qui a pour effet d'améliorer le relaxation des défauts cristallins induits par les ions en train de décélérer. Ceci se produit en même temps que la formation des défauts si bien qu'un nombre réduit, sinon nul, de défauts reste en place une fois l'implantation effectuée. On estime que la "température effective" du réseau cristallin est supérieure juste au-dessous du faisceau d'ions d'implantation par rapport à ce qu'elle serait du seul fait des ions frappant la région, même si l'on tient compte de la température élevée du substrat dans son ensemble et de l'énergie déposée par les ions eux- mêmes. Cet effet est transitoire, c'est-à-dire qu'il se déplace avec le faisceau d'ions mobile. Du fait de cette interaction coopérative, le recuit ou la suppression des dommages liés à l'implantation sont en mesure de s'effectuer beaucoup plus rapidement au voisinage immédiat du faisceau d'implantation qu'on

ne pourrait l'espérer sur la simple base de la température moyenne de la plaquette.

Ainsi, un recuit virtuellement complet des dommages liés à l'implantation peut être réalisé en des temps s'exprimant en secondes, pendant que l'implantation a lieu, par opposition aux heures nécessaires au recuit effectué après l'implantation par les techniques connues. Ceci constitue un aspect particulier de l'invention, qui

présente une grande utilité pratique.

Une caractéristique supplémentaire de cet effet de coopération est qu'elle conduit à une redistribution hautement asymétrique de l'agent de dopage implanté. Plus spécialement, il y a beaucoup moins de redistribution latérale de l'agent de dopage (parallèlement à la surface de la plaquette) qu'il n'y a de redistribution verticale de l'agent de dopage (perpendiculairement à la surface de la plaquette) pendant l'implantation. Par exemple, une implantation de bore et un recuit par micro-ondes effectués concurremment à une température de 920 C pendant 720 s jusqu'à une dose de 3 x 1016 ions/cm2 dans une plaquette de silicium de type n de résistivité comprise entre 1 et 17 Q.cm donnent une profondeur de jonction de 3,8 um et une diffusion latérale sous le bord de l'oxyde de masquage qui n'est que de 0,82,um. Le rapport de la diffusion verticale à la diffusion latérale est presque de 5 à 1, par comparaison avec un rapport d'environ à 9 typiquement observé avec le procédé séquentiel classique implantation +

recuit.

Ainsi, le procédé de l'invention est en mesure de produire une asymétrie verticale/latérale importante pour la profondeur de jonction dans les jonctions o des ions sont implantés, une asymétrie importante signifiant au moins 2/1. En fonction de la dose et d'autres conditions, l'asymétrie peut être de 3/1, mieux encore de 4/1 et atteindre 5/1. Il s'agit d'une autre caractéristique de l'invention, qui se révèle d'une grande importance pratique, car elle permet de produire des dispositifs plus petits qui occupent une aire moins grande, même lorsque l'on désire des jonctions relativement profondes. Ceci permet d'augmenter la densité d'intégration des circuits intégrés et de fabriquer des circuits intégrés

plus complexes.

En interrompant le faisceau de micro-ondes à peu près en même temps que l'implantation, on préserve généralement l'asymétrie de dopage produite par

l'invention. Même après plusieurs minutes d'exposition continue à des micro-

ondes (après l'implantation), la redistribution latérale classique de l'agent de dopage est minimale. Le temps total est trop bref pour modifier de façon importante la position des agents de dopage à la température considérée. Non seulement les jonctions produites à l'aide du procédé de l'invention présentent une diffusion latérale réduite, mais cette asymétrie peut être conservée tout au long

d'implantations d'ions ultérieures effectuées à l'aide de l'invention.

Alors que l'invention a été illustrée au moyen d'un appareil particulier et par des opérations d'implantation et de chauffage effectuées sur certains types de

substrats, l'homme de l'art comprendra, sur la base de la présente description, que

le procédé selon l'invention s'applique de façon large à de nombreux types différents d'ions d'implantation et de substrats et à la formation de nombreux types différents de structures électroniques. De plus, alors que des combinaisons particulières de composantes micro-onde, de dispositifs d'implantation et de chambres cibles ont été décrits, ceux- ci ne constituent pas une limitation à l'invention et d'autres agencements peuvent être utilisés pour fournir concurremment des ions énergétiques et des micro-ondes à une même région de substrat. Il est important que le courant du faisceau d'ions et le niveau de puissance des micro-ondes soient tels qu'une interaction constructive avec les micro-ondes ait lieu dans le substrat dans la petite région o les ions sont en train de décélérer et provoquent des dommages aux cristaux, de manière à élever la température locale effective tandis que le faisceau d'ion est présent à cet emplacement, si bien que le recuit des dommages liés à l'implantation s'effectue concurremment sans qu'il soit

nécessaire d'envisager un recuit important après l'implantation.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du

procédé et de l'appareil 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.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1. Appareil d'implantation d'ions dans un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend une source (32) de micro-ondes (26) d'une fréquence f dirigées vers le substrat (14) suivant une première direction à travers une première région de couplage, et une source (16) d'ions énergétiques (18) dirigés vers le substrat suivant une deuxième direction à travers une deuxième région de couplage ayant

une fréquence de coupure fco pour la propagation des micro-ondes, o fco < f.

2. Appareil selon la rcvendication 1. caractérisé en ce que les première et deuxième directions sont telles que les micro-ondes et les ions sont dirigés vers

une surface commune du substrat.

3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième directions sont telles que les micro-ondes et les ions sont dirigés vers

des surfaces respectivement opposées du substrat.

4. Appareil selon la revendication 1. caractérisé en ce que le substrat est contenu à l'intérieur d'une chambre (12). dans laquelle les microondes

produisent des ondes stationnaires.

5. Appareil selon la revendication 1. caractérisé en ce que le substrat

est contenu à l'intérieur d'une chambre dont les parois sont refroidies.

6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu

une chambre sous vide servant à contenir le substrat et dans laquelle les micro-

ondes et les ions sont envovés et en ce que le substrat est porté, à l'intérieur de la

chambre, par un élément de support thermiquement non conducteur.

7. Appareil selon la revendication 6. caractérisé en ce qu'il comprend un fil électrique qui couple le substrat à un potentiel de référence afin d'empêcher

que le substrat ne se charge.

8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les micro-

ondes comprennent les modes de propagation TE01, TE10 ou TE1l ou leurs combinaisons.

9. Appareil selon la revendication 1. caractérisé en ce qu'il est prévu

une fenêtre étanche au vide (40) qui sépare la source de micro-ondes et le substrat.

10. Appareil selon la revendication 1. caractérisé en ce qu'il comprend une chambre (12) destinée à contenir le substrat (14), o la chambre possède un premier orifice destiné à admettre les ions cnergétiques (18) et un deuxième orifice destiné à admettre des micro-ondes (26) dans la chambre afin de chauffer le substrat, et o il est prévu un support de substrat tel que le substrat est maintenu à l'intérieur de la chambre de façon à être sensiblement isolé du point de vue de la conduction thermique vis-à-vis de la chambre et électriquement couplé à un potentiel de référence, afin d'empêcher qu'il ne soit chargé de façon significative

par le faisceau d'ions.

11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le support de substrat positionne le substrat approximativement à l'emplacement d'un

maximum d'un système d'ondes stationnaires des micro-ondes dans la chambre.

12. Procédé d'implantation d'ions dans un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: exposer le substrat à des micro-ondes de fréquence f afin de le chauffer jusqu'à une température prédéterminée faire frapper par les ions une surface du substrat à travers une région de couplage ayant une fréquence de coupure fco pour la propagation des micro-ondes o fco < f tandis que le substrat est exposé aux micro-ondes, jusqu'à ce qu'une dose d'implantation prédéterminée ait été atteinte et interrompre les ions et les micro-ondes d'une manière assurant une coïncidence suffisante dans le temps pour préserver une distribution sensiblement

asymétrique des ions à l'intérieur du substrat.

13. Procédé sclon la revendication 12, caractérisé en ce que, après

l'interruption des micro-ondes, le substrat se refroidit par rayonnement.

14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'interruption des micro-ondes a lieu dans un intervalle de temps d'environ O à 10 s

après l'interruption des ions.

15. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'intervalle de temps qui sépare l'interruption dcs micro-ondes de l'interruption des ions est égal ou inférieur à environ 20 %c de la durée de l'opération dans laquelle les ions

frappent le substrat.

16. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'une quantité suffisante d'énergie micro-onde est fournie pour chauffer le substrat jusqu'à une

température prédéterminée en moins dc 60 s.

17. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'opération consistant à faire frapper le substrat par les ions comporte l'opération consistant à faire frapper par les ions une première face du substrat et l'opération consistant à faire frapper le substrat par les micro-ondes consiste à les faire frapper sur la

même face du substrat.

18. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'opération consistant à faire frapper le substrat par les ions comporte l'opération consistant à faire frapper par les ions une première face du substrat et l'opération consistant à faire frapper le substrat par les micro-ondes consiste à les faire frapper sur une autre face du substrat.