FR2756098A1 - Excitation d'onde helicoidale pour produire des electrons a haute energie pour fabriquer des semi-conducteurs - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une source à plasma hélicoïdale commandée en faisant varier un champ magnétique axial ou une puissance HF commandant la formation de l'onde hélicoïdale. Un courant d'électrons à haute énergie est porté par l'onde lorsque le champ magnétique est de 90 G; mais ce courant est minimal lorsque le champ magnétique est de 100 G dans une source à plasma particulière. D'autres sources hélicoïdales donneront des performances similaires en ajustant le champ magnétique et la puissance à la géométrie particulière. Cette commutation de la production d'électrons à haute énergie peut être utilisée dans la fabrication de dispositif à semi-conducteur et en film mince. En appliquant des électrons à haute énergie à la couche d'isolant, les ions d'attaque chimique sont attirés sur la couche d'isolant et la bombardent avec une plus grande énergie que les zones où les électrons à haute énergie ne se sont pas accumulés. Ainsi, le silicium et les couches de métal, qui peuvent neutraliser les courants d'électrons à haute énergie sont gravés à un taux plus faible ou nul. Le procédé est particulièrement avantageux pour la fabrication de multicouches semi-conductrices où des tranchées de veille 0,18-0,35 mm ou moins sont formées.

Description

À
EXCITATION D'ONDE HELICOIDALE POUR
PRODUIRE DES ELECTRONS A HAUTE ENERGIE
POUR FABRIQUER DES SEMI-CONDUCTEURS
DECLARATION CONCERNANT LES DROITS LIES A L'INVENTION
Le gouvernement des Etats-Unis détient des droits sur la présente invention découlant du contrat N W-7405-ENG-48 passé entre le ministère américain de l'énergie et l'Université de Californie pour le fonctionnement du Lawrence Livermore National Laboratory.
CONTEXTE DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention La présente invention concerne des améliorations dans la commande et les applications de sources à plasma hélicoïdales. En particulier, la présente invention concerne la commande de la production d'électrons à haute énergie dans des sources à plasma hélicoïdales en faisant varier l'intensité du champ magnétique. Cette commande de la production d'électrons à haute énergie a une application essentielle dans l'attaque chimique de l'oxyde dans les futures
générations de fabrication de semi-conducteurs.
2. Description de l'art connexe
Les sources à plasma hélicoïdales fonctionnent typiquement en utilisant un gaz de plasma tel que l'argon ou des composés réactifs contenant des éléments tels que le fluor, le chlore ou le brome. Bien qu'il existe plusieurs conceptions, une source à plasma
hélicoïdale typique est représentée sur la figure 1.
Cependant, l'application de la présente invention ne se limite pas à cette conception particulière. Un tube 12, qui peut être en Pyrex ou un autre matériau isolant, contient le plasma à exciter et est fermé à une extrémité; la plaque peut être un conducteur tel qu'indiqué en 16, ou un isolant tel que le Pyrex. A l'autre extrémité du tube 12 est fixée une enceinte de glissement 20, qui permet à l'onde hélicoïdale 22 de se développer. A titre d'exemple, le tube 12 peut avoir un diamètre intérieur de 0,18 mètre et une longueur d'environ 0,5 mètre. Une antenne 18, cet exemple comprenant une bobine en double sellette, est positionnée sur l'extérieur du tube 12. Le réseau correspondant (non représenté) alimente l'antenne à une fréquence, par exemple, de 13,56 MHz et une puissance haute fréquence de 2 kw. Un enroulement de bobine coaxial 14 produit un champ magnétique allant de 100 à 300 G. Les plasmas sont produits avec environ 30 cm3 standard d'argon s'écoulant en continu dans le système, donnant une pression neutre d'environ 0,4 Pa. On a observé que des potentiels négatifs atteignant -200 V peuvent se développer sur les parois d'extrémité d'une source hélicoïdale. L'onde hélicoïdale 22 est produite par l'interaction d'une puissance radiofréquence provenant de l'antenne avec un plasma dans un champ magnétique d'intensité appropriée. Les utilisations pratiques des sources à plasma hélicoïdales ont été limitées par leur plus grande complexité et l'absence d'avantages évidents par rapport aux sources à plasma à
couplage inductif.
Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'attaque chimique de l'oxyde est actuellement le procédé le moins satisfaisant en vue de la prochaine génération de gravure avec des dimensions de motifs de moins de 0,35
pm. En référence à la figure 2, est représenté un semi-
conducteur 30 avant gravure. Le substrat de silicium 32, qui est habituellement dopé, porte une couche d'oxyde de silicium 34 et une couche de photorésist formant un motif 36 en vue du procédé de gravure. Le semi-conducteur est ensuite exposé à un gaz d'attaque chimique qui peut contenir du fluor, du chlore ou du brome. Comme indiqué sur la figure 3, le semi-conducteur soumis à une gravure peut présenter plusieurs défauts à la fin du procédé de gravure. Comparé à la section 40, qui est correctement attaquée, c'est-à-dire dans laquelle tout l'oxyde de silicium 34 non recouvert de photorésist a été enlevé, il reste de l'oxyde dans la section 42. Ainsi, la couche métallique (non représentée), qui est ajoutée lors d'une étape ultérieure, ne sera pas en contact avec le substrat de
silicium dopé 32.
La section 44 sur la figure 3 illustre un autre problème. Le substrat de silicium 32 a été soumis à une attaque chimique. Ainsi, la mince couche dopée située à proximité de la surface du substrat 32 peut avoir été complètement enlevée. Dans une attaque chimique, dans la pratique, les fabricants règlent soigneusement la concentration du gaz d'attaque chimique de manière à ce que la couche d'oxyde de silicium soit attaquée à une vitesse beaucoup plus grande (près de 10 fois plus grande) que le substrat de silicium. Cependant, il peut néanmoins y avoir une certaine attaque non souhaitée du substrat. Un autre problème représenté sur la figure 3 est l'érosion des parois de la couche d'oxyde de silicium, de sorte que la couche de photorésist est sapée à la base, comme indiqué à la section 46. La sape de la base limite la proximité à laquelle on peut placer
différents circuits et composants.
Lorsque l'un quelconque de ces défauts apparaît, la section du semiconducteur défectueuse ne peut pas
être utilisée. Quelquefois, toute la puce à semi-
conducteur doit être rejetée. Cela peut s'avérer très coûteux. En outre, la gravure des couches d'oxyde dans des circuits intégrés est l'une des étapes nécessaires pour produire des circuits intégrés multicouches en raison de la nécessité de former des connexions électriques entre les couches. L'attaque chimique de l'oxyde est également appelée attaque chimique de contact/voie car son but est de permettre la formation de connexions électriques entre les différentes couches d'un circuit intégré. Les recherches ont montré que la gravure du silicium et du métal peut être mise en oeuvre pour des dimensions de motifs de 0,18 à 0,35 pm. Cependant, la gravure de l'oxyde de silicium demeure insatisfaisante, en raison de la mauvaise sélectivité et de la difficulté à former des voies et des trous de contact profonds. En conclusion, les circuits intégrés multicouches, qui sont la norme pour les applications haute performance telles que les puces d'ordinateur, sont limités par l'étape de gravure de l'oxyde de silicium en raison des problèmes de gravure de l'oxyde de silicium existant pour des dimensions de motifs
inférieures à 0,35 pm.
RESUME DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est de commander la production d'électrons à haute énergie dans des sources à plasma hélicoïdales en commandant l'intensité de champs magnétiques et/ou la puissance radiofréquence. Un autre objet de la présente invention est de réaliser une attaque chimique de l'oxyde dans le domaine des semi- conducteurs avec de petites dimensions de motifs dans la plage de 0, 18 à 0,35 pm ou même moins. Une attaque chimique plus sélective de l'oxyde par rapport au silicium ou au métal peut être mise en oeuvre car les électrons à haute énergie chargent négativement une surface d'oxyde, ce qui accélère les ions positifs du réactif d'attaque et leur confère une plus grande énergie et efficacité lorsqu'ils atteignent l'oxyde de silicium. Cela accroît sélectivement la vitesse d'attaque chimique sur les zones d'oxyde et réduit la vitesse d'attaque chimique sur les zones non
oxyde.
Un autre objet de la présente invention est de fabriquer des semiconducteurs multicouches en utilisant le procédé d'attaque chimique ou de gravure de l'oxyde de silicium selon la présente invention. En outre, la capacité de mettre en oeuvre plusieurs procédés avec le même outil peut augmenter la productivité en réduisant le nombre de fois o il faut déplacer une plaquette entre les outils. Ainsi, la source à plasma hélicoïdale peut être utilisée pour résoudre certains des problèmes de fabrication auxquels
se heurte l'industrie des semi-conducteurs.
Un autre objet de la présente invention est de mettre en oeuvre une gravure ou attaque chimique davantage commandée et sélective d'un dispositif en film mince. En réglant la production d'électrons à haute énergie, un fabricant peut commander avec précision l'attaque chimique d'isolants, tels que des oxydes, sur des dispositifs en film mince. Cette technique pourrait être utile dans la technologie des
dispositifs d'affichage à écran plat.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Pour une meilleure compréhension de l'invention et de ses autres caractéristiques, on se réfère à la
description détaillée suivante de l'invention, à lire
en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une source à plasma hélicoïdale de l'art antérieur; la figure 2 est un dispositif à semi-conducteur préparé pour le procédé d'attaque chimique dans l'art antérieur; la figure 3 est un dispositif à semi-conducteur après attaque chimique selon le procédé de l'art antérieur; la figure 4 est un schéma de la source à plasma hélicoïdale de la présente invention; la figure 5a est un graphique représentant le courant d'électrons à haute énergie commandé en faisant varier l'intensité du champ magnétique axial; la figure 5b est un graphique semi-logarithmique représentant le courant d'électrons à haute énergie commandé en faisant varier l'intensité du champ magnétique axial; la figure 5c est un graphique représentant le courant d'électrons à haute énergie commandé en faisant varier la puissance haute fréquence délivrée à l'antenne; la figure 6a est un graphique représentant l'intensité du champ magnétique haute fréquence en fonction de la position axiale dans le tube à plasma lorsque l'énergie axiale des électrons en résonance avec l'onde est de 5 eV et l'intensité du champ magnétique est de 36 G; la figure 6b est un graphique représentant l'intensité du champ magnétique haute fréquence en fonction de l-a position axiale dans le tube à plasma lorsque l'énergie axiale des électrons en résonance avec l'onde est de 18 eV et l'intensité du champ magnétique est de 81 G; la figure 6c est un graphique représentant l'intensité du champ magnétique haute fréquence en fonction de la position axiale dans le tube à plasma lorsque l'énergie axiale des électrons en résonance avec l'onde est de 50 eV et l'intensité du champ magnétique est de 117 G; la figure 7 est un schéma d'un ensemble pour fabriquer des semi-conducteurs en utilisant une source à plasma hélicoïdale; la figure 8a est un graphique représentant les fonctions de distribution d'énergie des électrons moyennées en fonction du temps pour un plasma hélicoïdal; la figure 8b est un graphique représentant les sections efficaces pour entrainer des réactions chimiques spécifiques; la figure 9 représente un semi- conducteur qui accumule des électrons à haute énergie pendant le procédé d'attaque chimique selon la présente invention; la figure 10 représente un semi-conducteur avec différents niveaux de couches d'oxyde attaquées chimiquement pendant le procédé d'attaque chimique selon la présente invention; et la figure 11 est un dispositif à semi-conducteur multiniveau dans lequel les interconnexions entre les niveaux sont formées en utilisant le procédé selon la
présente invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES
Bien que la présente invention soit décrite relativement en détail ici, en référence spécifique à un mode de réalisation illustré, il faut comprendre qu'on ne vise pas à être limité à ce mode de réalisation. Au contraire, le but est de couvrir toutes les modifications, variantes et équivalents tombant dans l'esprit et le cadre de l'invention telle qu'elle
est définie par les revendications. En particulier,
l'invention est applicable à toute situation dans laquelle la commande de la production d'électrons à haute énergie est avantageuse. De plus, la fabrication des semi-conducteurs pendant l'étape d'attaque chimique de l'oxyde est améliorée en commandant le nombre et la vitesse des électrons à haute énergie. La présente invention peut être mise à profit pour l'attaque chimique d'un isolant quelconque sur des dispositifs en
film mince.
Le premier mode de réalisation préféré va être décrit en référence à la figure 4. Une source à plasma hélicoïdale 50 selon la présente invention est représentée. Plusieurs des composants sont les mêmes que décrits précédemment dans l'art antérieur. Une antenne 18 est formée autour d'un tube en Pyrex 12 pourvu d'une plaque d'extrémité 16. L'enroulement de bobine coaxial 14 est enroulé autour du tube 12 de manière à induire des champs magnétiques à l'intérieur
du tube 12.
L'art antérieur appliquait simplement un champ magnétique uniforme à l'enceinte à plasma afin d'obtenir une onde hélicoïdale d'amplitude élevée sortant du tube. En fait, l'art antérieur formait habituellement un champ magnétique d'une intensité dans la plage de 100 à 1000 G. La figure 5a représente un graphique montrant le courant d'électrons à haute énergie commandé en faisant varier l'intensité du champ magnétique axial. Il est clair que la densité de courant d'électrons à haute énergie est pratiquement nulle lorsque l'intensité du champ magnétique est supérieure à 100 G. En référence à la figure 5b, la courbe semi-logarithmique montre des pics de courant d'électrons à haute énergie au-delà de 100 G, mais on voit que ces pics sont plus petits d'un facteur 5 ou plus que les pics en-deçà de 100 G. Lorsque le champ magnétique est réglé à la plage de 50 à 90 G, la densité de courant augmente considérablement. Ainsi, une solution pour former et commander le nombre d'électrons à haute énergie portés par l'onde hélicoïdale consiste à commander le champ magnétique appliqué au plasma. Sur la figure 4, un dispositif de commande du champ magnétique 52 est fixé aux enroulements de bobine coaxiaux afin de commander l'intensité du champ magnétique dans l'enceinte à plasma. Des électrons à haute énergie avec des vitesses correspondant à quelques dizaines d'eV ont été observés par spectroscopie à partir d'impulsions de rayonnement d'argon en lumière visible à la fréquence HF (13,56 MHz) qui entraîne la source à plasma hélicoïdale. (Voir "Electron Beam Pulses Produced by Helicon-Wave Excitation" par A.R. Ellingboe et al., Physics of Plasmas 2, 1807 (1995), qui est inclus à titre de référence.) Comme indiqué sur la figure 5a, les électrons à haute énergie augmentent jusqu'à un pic de 7 mA/cm2 à 35 G, jusqu'à un pic plus important de 18 mA/cm2 à 90 G de champ magnétique axial sous l'antenne, puis chutent brutalement à 1 mA/cm2 à 100 G. Les figures 6a à 6c représentent des graphiques de l'intensité du champ magnétique axial haute fréquence en fonction de la position axiale sous l'antenne et à l'intérieur du tube. La vitesse de phase est égale au produit de la fréquence et de la longueur d'onde axiale mesurée. Sur la figure 6a, la vitesse de phase calculée correspond à une énergie axiale des électrons de 5 eV avec un champ magnétique de 36 G. Sur la figure 6b, la vitesse de phase calculée correspond à une énergie axiale des électrons de 18 eV avec un champ magnétique de 81 G. Sur la figure 6c, la vitesse de phase calculée correspond à une énergie axiale des électrons de 50 eV avec un champ magnétique de 117 G. Ces graphiques montrent les variations par sauts quantifiés de la longueur d'onde à mesure que l'intensité du champ magnétique de courant continu varie. Ces balayages axiaux, réalisés avec une sonde magnétique à 18 canaux, montrent que le nombre de modes axiaux varie sur cette plage de champs magnétiques pour laquelle l'analyseur d'énergie des électrons observe des variations rapides là du courant d'électrons à haute énergie, c'est-à-dire que la longueur d'onde axiale subit des variations quantiques. Pour une température des électrons typique de 2 à 4 eV, les collisions empêchent probablement le chauffage d'une queue significative de la fonction de répartition à 5 eV lorsque la fonction de répartition d'énergie des électrons (EEDF, Electron Energy Distribution Fonction) n'a diminué que d'environ 5 % par rapport au pic. A 18 eV, la fonction de répartition d'énergie des électrons est tombée à environ 0,1 % du pic, de sorte que l'on peut raisonnablement s'attendre à ce qu'il y ait formation d'une queue et les mesures de l'analyseur de l'énergie des électrons montrent une queue de cette énergie environ. A 50 eV, il est peu vraisemblable que des électrons soient suffisamment
proches de cette énergie pour être piégés par l'onde.
Les valeurs exactes du champ magnétique, indiquées sur les figures 5a à 5b et 6a à 6c, dépendent de la taille du tube source 12 (représenté sur la figure 4) et de la densité du plasma. Elles peuvent être données approximativement par l'équation suivante: /k = 2 x 1019 (B0/(an0))... (1) o O est la fréquence angulaire (2nf); k est le nombre d'ondes (2n/X); B0 est le champ magnétique axial en Gauss; a est le rayon du plasma, c'est-à-dire le rayon du cylindre 12 sur la figure 4; et no est la densité d'électrons en cm-3. Pour une géométrie donnée, la production d'électrons à haute énergie peut être optimisée soit en mesurant le courant électronique directement avec un analyseur d'énergie des électrons et en maximisant le courant, soit en mesurant les champs magnétiques HF axiaux et en réglant le champ magnétique jusqu'à ce que le produit de la longueur d'onde axiale par la fréquence HF soit égal à une
vitesse de phase d'environ 2 à 3 x 108 cm/s.
Lorsque le champ magnétique est réglé de manière appropriée pour une production optimale d'électrons à haute énergie, le courant d'électrons à haute énergie peut également être interrompu en réduisant la puissance HF à l'aide d'un dispositif de commande d'antenne 58 comme indiqué sur la figure 4. Sur la figure 5c, un graphique montre que lorsque le champ magnétique est maintenu constant et que la puissance HF est réglée, le courant d'électrons chauds Je devient significatif au- dessus du deuxième saut de densité. La source à plasma fonctionne en trois modes (voir figure 5c): mode capacitif E; mode inductif H; et mode à onde hélicoïdale W. (Voir "Capacitive, Inductive and Helicon-Wave Modes of Operation of a Helicon Plasma Source", par A. R. Ellingboe et al., Physics of Plasma V3n7 (juillet 1996), pages 2797 à 2804, qui est inclus à titre de référence.) Bien que la densité d'électrons no conserve une augmentation graduelle de la densité de courant électronique dans ce troisième mode, le courant d'électrons chauds Je présente une augmentation significative avec seulement une faible variation de la puissance HF. Cela assure un moyen de commande supplémentaire. Cela indique également que la puissance HF doit être suffisamment élevée pour déterminer le champ magnétique optimal pour la production d'électrons
à haute énergie.
En conclusion, les sources à plasma hélicoïdales peuvent produire des électrons à haute énergie en quantité suffisante pour pouvoir les utiliser pour de nombreuses applications, telles que, par exemple, pour l'attaque chimique d'oxydes et la commande de la chimie des plasmas. En faisant varier le champ magnétique de à 100 G, dans l'exemple présenté ici, on peut commander le courant d'électrons à haute énergie porté par l'onde hélicoïdale. Par exemple, lorsque le champ magnétique est à 80 G, des électrons à haute énergie sont présents sur l'onde hélicoïdale 54 comme indiqué sur la figure 4. Lorsque le champ magnétique est porté à 100 G, il n'y a pratiquement pas d'électrons à haute énergie sur l'onde hélicoïdale 56. L'intensité du champ magnétique nécessaire pour remplir cette fonction peut être différente lorsqu'on utilise d'autres types de plasmas ou lorsque les dimensions du tube source sont différentes. Cependant, la production d'électrons à haute énergie peut être activée et désactivée très rapidement et très facilement en utilisant un dispositif de commande de champ magnétique 52 comme
indiqué sur la figure 4.
Le deuxième mode de réalisation préféré de la présente invention tire profit de la possibilité offerte au fabricant de dispositif à semi-conducteur ou en film mince de commander les électrons à haute
énergie produits par la source à plasma hélicoïdale.
Ainsi, la production d'électrons à haute énergie peut être activée et désactivée pour passer de la gravure d'un isolant par plasma haute densité, par exemple une gravure d'un oxyde, à l'aide des électrons à haute densité, à l'attaque chimique de métal ou de silicium
simple sans électrons à haute énergie.
En référence à la figure 7, le semi-conducteur 88 ou un dispositif en film mince quelconque destiné à subir une gravure est placé dans un ensemble 70. La source à plasma hélicoïdale 72 dans cet ensemble 70 comprend, par exemple, les mêmes composants que décrit ci-dessus, c'est- à-dire une antenne 74, un réseau d'adaptation 76 pour délivrer la puissance HF à 2 kW à une fréquence de 13,56 MHz; des enroulements de bobine coaxiaux 78 destinés à produire les champs magnétiques; et un dispositif de commande de champ magnétique 80. L'ensemble 70 a également des enroulements de bobine coaxiaux autour de la partie d'enceinte 82 pour une meilleure commande de la longueur d'onde et de la vitesse de phase des ondes hélicoïdales provenant de la source à plasma hélicoïdale 72. La plaquette de semi-conducteur 88 est placée sur un plateau 86. Le plateau peut éventuellement avoir une polarisation HF, délivrée par le réseau correspondant 90 et dont la puissance et la phase sont réglées séparément de l'alimentation HF de l'antenne. Dans l'art antérieur, le gaz ionisé de gravure serait injecté dans l'enceinte 82 afin d'enlever
l'oxyde de silicium exposé sur le semi-conducteur 88.
Un modèle récent de dynamique moléculaire de gravure a montré que les ions bombardent la surface de l'oxyde de silicium avec une énergie suffisante pour produire des combinaisons libres, mais n'enlèvent pas directement les atomes de la surface. (Voir "Chemical and Physical Sputtering of Fluorinated Silicon" par M. E. Barone et D. B. Graves, J. Appl. Phys. 77 (3), pages 1263 à 1273). Les atomes sont enlevés par des réactions avec du gaz fluor qui génèrent des produits volatils. Ainsi, les ions ont besoin d'une énergie de seuil pour
produire les combinaisons libres dans ce modèle.
D'autres pensent que la gravure est due à une combinaison d'ions bombardant une surface et produisant des combinaisons libres qui réagissent ensuite avec des atomes neutres (typiquement, F, Cl ou Br) donnant un
produit volatil qui arrache les atomes de la surface.
Afin de maintenir le courant électronique incident égal au courant ionique (comme cela doit être le cas en fonctionnement continu lorsque les potentiels sur les surfaces ne varient plus), il se crée sur les surfaces d'oxyde une tension de charge repoussant tout à l'exception des électrons à plus haute énergie. Cela donne des potentiels de tension d'une valeur de 25 à V. Ce potentiel s'ajoute à celui dû à une polarisation HF appliquée séparément sur la plaquette plus celui dû à un potentiel de courant continu sur la gaine. Les électrons à haute énergie assurent de préférence l'autopolarisation des surfaces isolantes en les chargeant à une tension négative accrue. Ce potentiel accru repousse les électrons de faible énergie, d'une énergie accrue, jusqu'à ce que le courant électronique incident soit réduit et devienne égal au courant ionique local. Les surfaces conductrices et semi- conductrices peuvent être connectées de manière à ce qu'il n'y ait pas
d'accumulation locale de charges négatives en excès.
Ainsi, un courant ionique ou électronique non équilibré est évacué pour empêcher une polarisation générée par les électrons à haute énergie. Une sélectivité élevée est possible si la gamme d'énergies des ions incidents sur le semi-conducteur ou le métal est inférieure au seuil correspondant à l'attaque de ces surfaces, tandis que l'énergie ionique incidente sur l'oxyde est en grande partie ou entièrement supérieure au seuil correspondant à l'attaque de l'oxyde en raison de
l'autopolarisation de l'oxyde.
Les vitesses d'attaque chimique ont été mesurées sur de l'oxyde de silicium et du silicium dans une décharge ECR, dans laquelle la vitesse d'attaque chimique de l'oxyde de silicium est proportionnelle à la densité d'énergie des ions fluor JiEi, s'il y a suffisamment d'atomes de fluor. Ji est la densité de courant ionique et Ei est l'énergie des ions à la surface de la plaquette. L'énergie ionique moyenne varie entre 40 et 130 eV. La vitesse d'attaque chimique maximale atteint 340 nm/mn à 400 mW/cm2. Les vitesses d'attaque chimique du silicium sont similaires à celles de l'oxyde de silicium à de faibles densités d'énergie ionique, mais sont saturées à environ 120 nm/mn à mW/cm2. (Voir "Etching Rate Characterization of SiO2 and Si Using Ion Energy Flux and Atomic Fluorine Density in a CF4/O2/Ar Electron Cyclotron Resonance Plasma", J. Ding, et al., J. Vac. Sci. Technol., A 11 page 1283 (1993)).q Cela se traduit par une augmentation de la sélectivité d'un facteur de 2 en utilisant les électrons à haute énergie provenant d'une
source à plasma hélicoïdale.
Un fabricant introduira typiquement un gaz tel qu'un fluorure de carbone en tant que gaz de plasma dans l'enceinte à une concentration suffisante pour attaquer l'oxyde. Les deux équations suivantes représentent les réactions chimiques qui ont lieu: CHF3 + e- CHF2 + F.. .(2) CHF3 + e- CF2 + HF...(3) La figure 8a est un graphique représentant les fonctions de répartition d'énergie des électrons (EEDF) moyennées en fonction du temps pour un plasma hélicoïdal. La courbe 100 est produite sans formation d'électrons chauds et la courbe 102 est produite avec formation d'électrons chauds. La figure 8b est un graphique représentant les sections efficaces pour entraîner les réactions chimiques indiquées aux équations (2) et (3) ci-dessus. Les réactions chimiques de l'équation (3) ne se produisent pas jusqu'à ce que soit atteint un seuil minimal au point 108. Par exemple, si la courbe 104 est associée aux réactions chimiques de l'équation (2), et la courbe 106 est associée aux réactions chimiques de l'équation (3), les produits générés par la deuxième réaction sont alors accrus en augmentant la densité des électrons chauds, c'est-à-dire de la courbe 100 à la courbe 102 sur la figure 8a. Ainsi, le pic de la courbe 102 sur la figure
8a est au-delà du point de seuil 108 sur la figure 8b.
De même, si on réduit la production d'électrons chauds, les produits de la réaction chimique de l'équation (2)
ci-dessus sont alors favorisés.
Lorsque les réactions correspondant à l'équation (2) se produisent, les atomes de fluor libres peuvent réagir avec les molécules d'oxyde de silicium selon la réaction chimique suivante: 4F + SiO2 - SiF4 + 02... (4)
Ainsi, l'oxyde de silicium est arraché au semi-
conducteur par attaque chimique et le gaz formé peut être extrait de l'enceinte. Lorsque la réaction chimique de l'équation (3) se produit, des radicaux CF2 sont produits: on pense que ces radicaux sont responsables d'un dépôt de polymère, qui protège les parois latérales (empêchant la sape de la base du photorésist) et la couche de silicium sous-jacente. De cette manière, on peut modifier la chimie de la phase gazeuse et des ions en commandant la production
d'électrons chauds.
Les vitesses d'attaque chimique ont également été mesurées sur du polysilicium avec un faisceau d'ions à faible énergie, faisant apparaître un seuil de 25 eV pour la gravure du polysilicium avec des ions chlore sous une atmosphère de chlore gazeux de 10-4 Torr. Ces résultats sontcomplémentaires plutôt que contradictoires avec ceux d'une décharge ECR pour deux raisons: (a) différents gaz de gravure ont été utilisés, le fluor et le chlore, respectivement; et (b) l'énergie des ions de gravure au plasma ECR commence au-dessus de l'énergie de seuil observée avec la mesure du faisceau d'ions. Avec un seuil d'énergie, la gravure de l'oxyde peut être sélectivement améliorée
d'un ordre de grandeur.
En référence à la figure 9, le semi-conducteur est prêt à subir une gravure. L'onde 110 dépose des électrons à haute énergie 112 sur la surface de l'oxyde
de silicium 34. Ainsi, l'oxyde a une charge négative.
Le gaz de gravure (non représenté) est ensuite appliqué au semiconducteur. Les potentiels négatifs accélèrent les ions d'attaque chimique positifs leur conférant une plus grande énergie et l'efficacité lorsqu'ils atteignent l'oxyde. Les ions sont accélérés et bombardent les surfaces polarisées négativement avec une plus grande énergie. Comme l'on sait que la vitesse d'attaque augmente avec l'énergie ionique, et que dans certains cas il existe une énergie de seuil en-deçà de laquelle la vitesse d'attaque est négligeable, les surfaces autopolarisées peuvent être attaquées à une vitesse sélectivement plus grande que les surfaces qui
ne sont pas autopolarisées.
Sur la figure 10, l'oxyde a été complètement enlevé du substrat dans une section. Les électrons à haute énergie, qui sont délivrés en continu par l'onde , sont écartés de manière à ce que le potentiel de surface soit moins négatif que la charge sur les couches d'oxyde restantes. La vitesse d'attaque est par conséquent sélectivement réduite pour les zones non
oxyde. Ainsi, l'érosion des zones non oxyde est évitée.
Un troisième mode de réalisation préféré de la présente invention va être décrit en référence à la figure 11. Les fabricants forment actuellement des semi-conducteurs qui ont plusieurs couches ou niveaux d'éléments. Les connexions entre ces niveaux sont habituellement réalisées en utilisant des
interconnexions multiniveau sur le semi-conducteur.
Afin de connecter intérieurement les éléments de différents niveaux, le fabricant doit pouvoir former des passages de 0,18 pm ou même moins. Actuellement, on peut former par gravure dans le silicium et le métal
des passages de seulement 0,18 pm de diamètre.
Cependant, la formation de passages par attaque chimique dans l'oxyde de silicium peut être réalisée seulement avec un diamètre de 0,35 pm. Ainsi, la présente invention peut être utilisée pour former des passages dans l'oxyde de silicium qui sont dans la plage de 0,18 à 0,35 pm. Cependant, cette procédure consistant à utiliser des sources à plasma hélicoïdales pourrait former des passages encore plus étroits avec
des diamètres inférieurs à 0,18 pm.
Le fabricant peut placer le semi-conducteur 120 représenté sur la figure 11 dans l'enceinte représentée sur la figure 7. Nombre des étapes peuvent être réalisées dans la même enceinte simplement en ajustant le champ magnétique ou la puissance HF de la source à plasma hélicoïdale de manière à ce que les électrons à haute énergie soient délivrés aux surfaces exposées du
semi-conducteur au fur et à mesure de sa fabrication.
Par exemple, si l'étape de fabrication suivante consiste à former une connexion avec le niveau inférieur, une couche de photorésist formant un motif
124 est formée sur une couche d'oxyde de silicium 126.
Deux couches de métal 128 et 130 ont précédemment été déposées sous la couche d'oxyde 126. L'étape suivante consiste à attaquer l'oxyde dans la zone 132 exposée par le photorésist 124 jusqu'à ce que la couche de métal 128 soit exposée. Le champ magnétique autour de la source à plasma hélicoïdale peut être modifié de manière à produire les électrons à haute énergie. Le gaz ionisé commence à attaquer l'oxyde de silicium
exposé de manière à former une étroite gorge ou voie.
Les électrons à haute énergie chargent le fond de l'oxyde dans la voie de telle sorte que l'énergie des ions heurtant l'oxyde augmente. Par conséquent, la vitesse de gravure de l'oxyde augmente. Lorsque le métal 128 est atteint, la charge négative en excès peut être évacuée de la surface, réduisant l'énergie d'impact des ions. Par conséquent, la vitesse d'attaque chimique du métal 128 diminue. Si le fabricant souhaite poursuivre la gravure à travers le métal, le champ magnétique autour de la source à plasma hélicoïdale peut être modifié, de manière à ne pas produire les électrons à haute énergie. Le plasma de gravure approprié peut être fourni afin d'attaquer la couche de
métal, comme cela est enseigné dans l'art antérieur.
A mesure que l'attaque progresse, la production d'électrons à haute énergie par le plasma hélicoïdal peut être activée ou désactivée en faisant varier le champ magnétique axial ou la puissance HF, de sorte que le fabricant peut rapidement commuter entre un état de gravure de l'oxyde avec des électrons à haute énergie et un état de gravure d'autres matériaux sans électrons à haute énergie. La capacité à utiliser un seul outil pour de multiples applications peut accroître la productivité en réduisant la nécessité de transférer une plaquette entre différents outils, ainsi que le temps requis. Par exemple, une excitation dans un plasma d'oxygène après gravure de l'oxyde peut éliminer le polymère déposé sur le contact et les parois latérales. Cependant, des énergies ioniques élevées dans cette étape seraient désavantageuses; par conséquent, la production d'électrons à haute énergie
peut être interrompue.
Un autre avantage caractéristique de ce procédé est que les électrons à haute énergie sont projetés en ligne droite vers la surface de l'oxyde. Ainsi, la charge sur les parois latérales de l'oxyde ne
s'accumule pas autant que la charge au fond de l'oxyde.
Cela est particulièrement avantageux dans les semi-
conducteurs multicouches car les électrons à haute énergie pénètrent jusqu'au fond des gorges et voies en
étant moins déviés que les électrons de faible énergie.
Au fond de ces gorges et voies, les électrons à haute énergie neutraliseront le courant ionique et maintiendront la vitesse d'attaque chimique normale dans des dispositifs de future génération dans lesquels
la profondeur dépassera largement la largeur.
Cependant, la vitesse de gravure sera réduite lorsque le substrat de silicium ou la couche de métal est
atteinte à travers une couche d'oxyde dans les semi-
conducteurs multicouches.
Bien que l'invention ait été décrite et illustrée
de manière spécifique, cette description vise à être
une illustration de modes de réalisation préférés. Il
faut comprendre que la description a été faite à titre
d'exemple uniquement. De nombreuses modifications dans la combinaison et les agencements des composants, étapes et caractéristiques peuvent être apportées par les hommes du métier sans s'écarter de l'esprit et du
cadre de l'invention, telle qu'elle est revendiquée ci-
après.

Claims (36)

REVENDICATIONS
1. Procédé de gravure d'un isolant formé sur une surface non isolante comprenant les étapes consistant à: générer des électrons à haute énergie qui chargent une surface exposée dudit isolant; et former un plasma ionique qui grave ladite surface
exposée chargée dudit isolant.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite étape consistant à générer lesdits électrons à haute énergie est mise en oeuvre par une source à
plasma hélicoïdale.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite source à plasma hélicoïdale comprend: un tube à plasma ayant une première extrémité fermée; une antenne entourant une partie extérieure dudit tube à plasma et alimentée par une source de puissance HF, ladite antenne formant une onde hélicoïdale dans ledit plasma qui est émise par une deuxième extrémité dudit tube à plasma; des enroulements de bobine axiaux produisant des champs magnétiques dans ledit plasma; et des moyens pour commander ladite formation de ladite onde hélicoïdale et pour commander un courant d'électrons à haute énergie dans lequel lesdits électrons à haute énergie sont portés par ladite onde hélicoïdale.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens règlent lesdits champs magnétiques de manière à ce que ledit courant d'électrons à haute
énergie puisse être augmenté et diminué.
5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens règlent ladite puissance HF délivrée à ladite antenne de manière à ce que ledit courant d'électrons à haute énergie puisse être augmenté et diminué.
6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens règlent lesdits champs magnétiques et ladite puissance HF délivrée à ladite antenne de manière à ce que ledit courant d'électrons à haute
énergie puisse être augmenté et diminué.
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit élément non isolant est un substrat, un métal, un
matériau semi-conducteur ou une plaquette de silicium.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite couche non isolante sur laquelle ledit isolant est déposé est connectée de manière à ce qu'il n'y ait pas accumulation de charges négatives en excès, mais à
ce que ladite couche d'isolant exposé demeure chargée.
9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel
ledit isolant est un oxyde ou l'oxyde de silicium.
10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite surface exposée est formée en formant une couche pourvue d'un motif composée de photorésist durci, d'un
métal, de chrome ou de silicium.
11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la largeur d'un passage formé entre deux couches d'isolant adjacentes restant après la gravure est
inférieure à 0,35 pm.
12. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit plasma ionique est composé d'au moins un
composant parmi le fluor, le chlore et le brome.
13. Dispositif en film mince fabriqué en partie en utilisant des électrons à haute énergie, ledit dispositif en film mince nécessitant un procédé de gravure d'une couche d'isolant au cours de la fabrication, ledit procédé comprenant les étapes consistant à: générer des électrons à haute énergie qui chargent une surface exposée dudit isolant; et former un plasma ionique qui grave ladite surface
exposée chargée dudit isolant.
14. Dispositif en film mince selon la revendication 13, dans lequel ladite étape consistant à générer lesdits électrons à haute énergie est mise en oeuvre par une source à plasma hélicoïdale émettant une
onde hélicoïdale.
15. Dispositif en film mince selon la revendication 14, dans lequel un courant d'électrons à haute énergie porté par ladite onde hélicoïdale est augmenté et diminué en réglant des champs magnétiques
dans ladite source à plasma hélicoïdale.
16. Dispositif en film mince selon la revendication 14, dans lequel un courant d'électrons à haute énergie porté par ladite onde hélicoïdale est augmenté et diminué en réglant une puissance HF délivrée à une antenne de ladite source à plasma hélicoïdale.
17. Dispositif en film mince selon la revendication 14, dans lequel un courant d'électrons à haute énergie porté par ladite onde hélicoïdale est augmenté et diminué en réglant des champs magnétiques dans ladite source à plasma hélicoïdale et en réglant une puissance HF délivrée à une antenne de ladite
source à plasma hélicoïdale.
18. Dispositif en film mince selon la revendication 13, dans lequel ledit isolant est un
oxyde ou l'oxyde de silicium.
19. Dispositif en film mince selon la revendication 13, dans lequel ledit isolant est déposé
sur une couche de matériau non isolant avant gravure.
20. Dispositif en film mince selon la revendication 19, dans lequel ledit matériau non isolant est un substrat, ou un métal, ou un matériau
semi-conducteur ou une plaquette de silicium.
21. Dispositif en film mince selon la revendication 13, dans lequel une couche formant un motif est formée sur une surface dudit isolant avant la gravure, ladite couche formant un motif se composant d'un photorésist durci, de métal, de chrome ou de silicium.
22. Dispositif en film mince selon la revendication 13, dans lequel ledit dispositif en film mince est un semi-conducteur, un dispositif d'affichage à écran plat ou un circuit d'entraînement d'un
dispositif d'affichage à plasma.
23. Source à plasma hélicoïdale avec commande de la production de courants d'électrons à haute énergie portés par une onde hélicoïdale comprenant: un tube à plasma ayant une première extrémité fermée; une antenne entourant une partie extérieure dudit tube à plasma et alimentée par une source de puissance HF, ladite antenne formant ladite onde hélicoïdale dans ledit plasma qui est émise depuis une deuxième extrémité dudit tube à plasma; des enroulements de bobine axiaux produisant des champs magnétiques dans ledit plasma; et des moyens pour commander ladite formation de ladite onde hélicoidale et pour commander la formation
dudit courant d'électrons à haute énergie.
24. Source à plasma hélicoïdale selon la revendication 23, dans laquelle lesdits moyens règlent lesdits champs magnétiques de manière à ce que la formation dudit courant d'électrons à haute énergie
puisse être augmentée et diminuée.
25. Source à plasma hélicoïdale selon la revendication 23, dans laquelle lesdits moyens règlent ladite puissance HF délivrée à ladite antenne de manière à ce que la formation dudit courant d'électrons
à haute énergie puisse être augmentée et diminuée.
26. Source à plasma hélicoïdale selon la revendication 23, dans laquelle lesdits moyens règlent à la fois lesdits champs magnétiques et ladite puissance HF délivrée à ladite antenne de manière à ce que la formation dudit courant d'électrons à haute
énergie puisse être augmentée et diminuée.
27. Méthode pour augmenter et diminuer les courants d'électrons à haute énergie portés par une
onde hélicoïdale.
28. Méthode selon la revendication 27, dans laquelle ladite onde hélicoïdale est formée par une source à plasma hélicoïdale et lesdits courants d'électrons à haute énergie sont augmentés et diminués en réglant des champs magnétiques dans ladite source à
plasma hélicoïdale.
29. Méthode selon la revendication 27, dans laquelle ladite onde hélicoïdale est formée par une source à plasma hélicoïdale et lesdits courants d'électrons à haute énergie sont augmentés et diminués en réglant une puissance HF délivrée à une antenne de
ladite source à plasma hélicoïdale.
30. Appareil pour fabriquer un dispositif en film mince comprenant: une enceinte; des moyens pour produire une onde hélicoïdale dans ladite enceinte, ladite onde hélicoïdale étant projetée vers ledit dispositif en film mince; des moyens de commande pour augmenter et diminuer un courant d'électrons à haute énergie portés par ladite onde hélicoïdale; un plateau destiné à supporter ledit dispositif en film mince; des moyens pour commander une concentration de
plasma de gravure dans ladite enceinte.
31. Appareil selon la revendication 30, dans lequel ladite onde hélicoïdale est formée par une source à plasma hélicoïdale et lesdits courants d'électrons à haute énergie sont augmentés et diminués en réglant des champs magnétiques dans ladite source à
plasma hélicoïdale.
32. Appareil selon la revendication 30, dans lequel que ladite onde hélicoïdale est formée par une source à plasma hélicoïdale et lesdits courants d'électrons à haute énergie sont augmentés et diminués en réglant une puissance HF délivrée à une antenne de
ladite source à plasma hélicoïdale.
33. Appareil selon la revendication 30, dans lequel plusieurs étapes de gravure peuvent être réalisées dans ladite enceinte sans déplacer ledit dispositif en film mince en augmentant et en diminuant ledit courant d'électrons à haute énergie et ladite
concentration en plasma d'attaque chimique.
34. Appareil selon la revendication 30, dans lequel les électrons à haute énergie dans lesdits courants d'électrons à haute énergie pénètrent au fond d'un passage formé pendant la gravure dudit dispositif en film mince.
35. Méthode utilisant des électrons à haute énergie pour modifier une chimie de phase gazeuse et d'ions de manière à modifier un flux d'espèces
chimiques et d'ions incidents sur une surface.
36. Méthode selon la revendication 35, dans laquelle ladite modification sur ladite surface est un
processus de dépôt ou un processus d'attaque chimique.
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