FR3019562A1

FR3019562A1 - ENCLOSURE FOR TREATING A SUBSTRATE USING PLASMA

Info

Publication number: FR3019562A1
Application number: FR1400823A
Authority: FR
Inventors: Franck Torregrosa; Laurent Roux
Original assignee: Ion Beam Services SA
Current assignee: Ion Beam Services SA
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-10-09

Abstract

La présente invention concerne une enceinte 101 de traitement d'un substrat 107 au moyen d'un plasma, enceinte comprenant un porte-substrat 104 destiné à recevoir ce substrat. L'enceinte est remarquable en ce qu'elle comporte un organe magnétique 125 pour créer un champ magnétique présentant au moins une composante parallèle au porte-substrat 104.The present invention relates to an enclosure 101 for treating a substrate 107 by means of a plasma, the enclosure comprising a substrate holder 104 intended to receive this substrate. The chamber is remarkable in that it comprises a magnetic member 125 for creating a magnetic field having at least one component parallel to the substrate holder 104.

Description

Enceinte de traitement d'un substrat au moyen d'un plasma La présente invention concerne une enceinte de traitement d'un substrat au moyen d'un plasma. Le domaine de l'invention est celui des machines qui mettent en oeuvre 5 un plasma, plus particulièrement celui des machines d'implantation ionique opérant en mode immersion plasma. Ainsi, l'implantation ionique d'un substrat consiste à l'immerger dans un plasma et à le polariser en tension négative, de quelques dizaines de Volts à quelques dizaines de kilovolts (généralement moins de 100 kV), ceci de façon à 10 créer un champ électrique capable d'accélérer les ions du plasma vers le substrat de sorte qu'ils s'y implantent. Les atomes ainsi implantés sont dénommés dopants. La polarisation est généralement pulsée. Classiquement, l'implantation se fait perpendiculairement à la face avant du substrat, ce qui convient bien aux dispositifs à deux dimensions qui sont 15 agencés dans le plan du substrat. Maintenant, on rencontre des structures à trois dimensions dites structures 3D. De telles structures comportent des éléments qui figurent horizontalement dans le plan du substrat mais aussi des éléments qui figurent verticalement, perpendiculaires à ce plan. On pense notamment à trois types de 2 o structures : - les transistors FinFET (pour « Fin Shaped Field Effect Transistor » en anglais), - les dispositifs présentant des tranchées (composants de puissance ou imageurs en technologie CMOS), 25 les dispositifs MEMS (pour « Micro Electro Mechanical System » en anglais). Ces structures comportent des marches qui chacune présente un palier horizontal et des flancs verticaux. Dans de nombreuses applications, il faut implanter ces flans verticaux. 30 Le problème qui se pose est dû à la trajectoire des ions. Cette trajectoire est normale à la gaine du plasma et elle est donc perpendiculaire au substrat dans le cas général d'un plasma basse pression. En effet, le libre parcours moyen des ions est supérieur à l'épaisseur de la gaine. Il s'ensuit que le palier de la marche est implanté mais que les flancs ne le sont pas. 35 Une solution pour résoudre ce problème est exposée dans l'article de B. Mizumo et al. « New doping method for subhalf microntrench sidewalls by using an electron cyclotron resonance plasma », Applied Physics Letter 53, 1998, pages 2059-2061. Ici, on augmente la pression dans l'enceinte de sorte que le libre parcours moyen des ions implantés soit inférieur à l'épaisseur de la gaine. Ainsi, suite aux collisions entre les ions molécules de gaz, certains de ces ions vont venir s'implanter sur les flancs de la marche. Toutefois, l'augmentation de la pression conduit à des phénomènes indésirables dus à l'interaction entre le plasma et le substrat. On peut ainsi assister à des dépôts parasites ou bien même à une gravure du substrat. La présente invention a ainsi pour objet de faciliter l'implantation des o flancs verticaux d'une structure 3D sans modifier la pression du plasma. Selon l'invention, une enceinte de traitement d'un substrat au moyen d'un plasma comprend un porte-substrat destiné à recevoir ce substrat ; enceinte remarquable en ce qu'elle comporte un organe magnétique pour créer un champ magnétique présentant au moins une composante parallèle au porte-substrat. 15 Ainsi, le champ magnétique incurve la trajectoire des ions de sorte qu'ils tournent autour de l'axe du champ. Suivant un mode de réalisation privilégié, l'organe magnétique est agencé autour du porte-substrat. Suivant un mode de réalisation alternatif, l'organe magnétique est 20 agencé sous le porte-substrat. Selon un premier type d'agencement, le porte-substrat est fixe. Avantageusement, l'organe magnétique est constitué par des bobines. Suivant une première option, les bobines sont alimentées par un courant alternatif. 25 Suivant une seconde option, les bobines étant alimentées par un courant triphasé, elles sont agencées pour produire un champ magnétique tournant. Selon un deuxième type d'agencement, l'enceinte comprend des moyens pour faire tourner le porte-substrat. Suivant une première option, l'organe magnétique est constitué par des 3 0 aimants. Suivant une seconde option, l'organe magnétique est constitué par des bobines. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif 35 en se référant aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, un schéma en coupe d'une machine d'implantation ionique selon l'invention, la figure 2, un schéma d'un premier mode de réalisation de l'organe magnétique, et - la figure 3, un schéma d'un second mode de réalisation de l'organe magnétique. Les éléments identiques présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence. En référence à la figure 1, la machine d'implantation ionique 100 est constituée autour d'une enceinte à vide 101. Pour les applications microélectroniques, il est préconisé d'utiliser une enceinte en alliage d'aluminium si l'on souhaite limiter la contamination en éléments métalliques tel que fer, chrome, nickel ou cobalt. Un revêtement en silicium ou en carbure de silicium peut aussi être utilisé.The present invention relates to an enclosure for treating a substrate by means of a plasma. The field of the invention is that of machines which use a plasma, more particularly that of ion implantation machines operating in plasma immersion mode. Thus, the ion implantation of a substrate consists of immersing it in a plasma and polarizing it into a negative voltage, from a few tens of volts to a few tens of kilovolts (generally less than 100 kV), so as to create an electric field capable of accelerating the plasma ions to the substrate so that they are implanted therein. The atoms thus implanted are called dopants. Polarization is usually pulsed. Conventionally, the implantation is perpendicular to the front face of the substrate, which is well suited to two-dimensional devices which are arranged in the plane of the substrate. Now, we encounter three-dimensional structures called 3D structures. Such structures include elements which appear horizontally in the plane of the substrate but also elements which appear vertically, perpendicular to this plane. Three types of structures are especially thought of: FinFET (Fine Shaped Field Effect Transistor) transistors, devices with trenches (power components or imagers in CMOS technology), MEMS devices ( for "Micro Electro Mechanical System"). These structures have steps each having a horizontal bearing and vertical flanks. In many applications, it is necessary to implement these vertical blanks. The problem that arises is due to the trajectory of the ions. This trajectory is normal to the plasma sheath and is therefore perpendicular to the substrate in the general case of a low pressure plasma. Indeed, the average free path of the ions is greater than the thickness of the sheath. It follows that the landing of the step is implanted but that the flanks are not. One solution to this problem is set forth in the article by B. Mizumo et al. "New doping method for subchronic microsphere sidewalls by using an electron cyclotron plasma resonance", Applied Physics Letter 53, 1998, pages 2059-2061. Here, the pressure in the chamber is increased so that the average free path of the implanted ions is less than the thickness of the sheath. Thus, following the collisions between the gas molecules ions, some of these ions will come to settle on the flanks of the march. However, the increase in pressure leads to undesirable phenomena due to the interaction between the plasma and the substrate. We can thus witness the parasitic deposits or even an etching of the substrate. The object of the present invention is thus to facilitate the implantation of the vertical flanks of a 3D structure without modifying the plasma pressure. According to the invention, an enclosure for treating a substrate by means of a plasma comprises a substrate holder intended to receive this substrate; remarkable enclosure in that it comprises a magnetic member for creating a magnetic field having at least one component parallel to the substrate holder. Thus, the magnetic field curves the path of the ions so that they rotate around the axis of the field. According to a preferred embodiment, the magnetic member is arranged around the substrate holder. According to an alternative embodiment, the magnetic member is arranged under the substrate holder. According to a first type of arrangement, the substrate holder is fixed. Advantageously, the magnetic member is constituted by coils. According to a first option, the coils are powered by an alternating current. According to a second option, the coils being fed with a three-phase current, they are arranged to produce a rotating magnetic field. According to a second type of arrangement, the enclosure comprises means for rotating the substrate holder. According to a first option, the magnetic member is constituted by magnets. According to a second option, the magnetic member is constituted by coils. The present invention will now appear in more detail with reference to the following description of exemplary embodiments given by way of illustration with reference to the appended figures which show: FIG. 1, a sectional diagram of a machine of FIG. ion implantation according to the invention, Figure 2, a diagram of a first embodiment of the magnetic member, and - Figure 3, a diagram of a second embodiment of the magnetic member. The identical elements present in several figures are assigned a single reference. With reference to FIG. 1, the ion implantation machine 100 is constituted around a vacuum chamber 101. For microelectronic applications, it is recommended to use an aluminum alloy enclosure if it is desired to limit the contamination in metallic elements such as iron, chromium, nickel or cobalt. A coating of silicon or silicon carbide can also be used.

Des moyens de pompage 102 sont raccordés par une canalisation 103 à la partie inférieure de l'enceinte 101. Le porte-substrat 104 se présente comme un plateau horizontal sur lequel repose un substrat 107. Ce plateau 104 est monté sur un pied 111 qui traverse l'enceinte 101 au moyen d'un passage haute tension 112. Une alimentation électrique haute tension 113, alimentation de polarisation, voit son pôle positif raccordé à la masse et son pôle négatif raccordé au pied 111 du porte-substrat 104. Le potentiel négatif appliqué au porte-substrat est généralement compris entre quelques dizaines de Volts et quelques dizaines de kilovolts. Avantageusement, la tension appliquée sera pulsée pour réduire l'extension de la gaine plasma. La source plasma 115 est rapportée sur la partie supérieure de l'enceinte 101. Cette source 115 se présente comme un corps cylindroïde. Une bride de raccordement 116 permet de fixer la base de la source plasma 115 sur l'enceinte 101. Le sommet de la source plasma 115 est muni d'une entrée de gaz 117 pour l'alimentation du plasma. La source plasma est de préférence en silice fondue ou en alumine pour limiter les problèmes de contamination. Elle est extérieurement entourée par une cellule d'ionisation. Cette cellule comporte une antenne radiofréquence 121 et, accessoirement, une bobine de confinement 122. L'antenne est constituée par quelques spires d'un conducteur électrique, un tube ou une lame de cuivre par exemple.Pumping means 102 are connected via a pipe 103 to the lower part of the enclosure 101. The substrate holder 104 is in the form of a horizontal plate on which a substrate 107 rests. This plate 104 is mounted on a foot 111 which passes through the enclosure 101 by means of a high voltage passage 112. A high voltage power supply 113, bias supply, sees its positive pole connected to ground and its negative pole connected to the foot 111 of the substrate holder 104. The negative potential applied to the substrate holder is generally between a few tens of volts and a few tens of kilovolts. Advantageously, the applied voltage will be pulsed to reduce the extension of the plasma sheath. The plasma source 115 is attached to the upper part of the chamber 101. This source 115 is in the form of a cylindrical body. A connecting flange 116 makes it possible to fix the base of the plasma source 115 on the enclosure 101. The top of the plasma source 115 is provided with a gas inlet 117 for supplying the plasma. The plasma source is preferably fused silica or alumina to limit contamination problems. It is externally surrounded by an ionization cell. This cell comprises a radiofrequency antenna 121 and, incidentally, a confinement coil 122. The antenna consists of a few turns of an electrical conductor, a tube or a copper blade, for example.

L'invention prévoit donc l'utilisation d'un champ magnétique parallèle au substrat. A cet effet, un organe magnétique 125 est ici agencé sous le porte-substrat 104. Alternativement, cet organe magnétique pourrait être disposé autour du porte-substrat, que ce soit à l'intérieur de l'enceinte 101 ou bien même à l'extérieur de cette enceinte. Les ions sont soumis à deux forces perpendiculaires. --> -> La première force F1 est due au champ électrique E et elle est fonction de la charge q de l'ion : -> __>. F1 = q E -> -> La deuxième force F2 est due au champ magnétique B et elle est fonction -> de la charge q ainsi que de la vitesse V de l'ion : -> -> --> F2 =CIVA B La trajectoire de l'ion va donc s'incurver pour tourner autour de l'axe du champ magnétique.The invention therefore provides for the use of a magnetic field parallel to the substrate. For this purpose, a magnetic member 125 is here arranged under the substrate holder 104. Alternatively, this magnetic member could be arranged around the substrate holder, either inside the enclosure 101 or even at the outside this enclosure. The ions are subjected to two perpendicular forces. -> -> The first force F1 is due to the electric field E and it is a function of the charge q of the ion: -> __>. F1 = q E -> -> The second force F2 is due to the magnetic field B and it is a function -> of the charge q as well as of the velocity V of the ion: -> -> -> F2 = CIVA B The trajectory of the ion will thus curl to rotate around the axis of the magnetic field.

En notant : -* -> 13 = pt H pi. : perméabilité magnétique p : rayon de courbure exprimé en cm Ec : énergie cinétique de l'ion exprimée en eV M: masse atomique de l'ion exprimée en g / môle n : le nombre de charges de l'ion Alors : H . p = 144 n2 Idéalement, les ions doivent être déviés de 90° durant la traversée de la 25 gaine plasma, si bien que le rayon de courbure doit être égal à l'épaisseur de la gaine. En immersion plasma, on assiste typiquement aux valeurs suivantes : - épaisseur de la gaine plasma comprise entre 1 et 10 cm, - énergie cinétique Ec comprise entre 200 eV et 10 000 eV, 30 - masse de l'ion m comprise entre 1 et 100 g / môle. A titre d'exemple, pour l'Arsenic : - épaisseur de la gaine : 10 cm m.Ec - énergie cinétique : 1 000 Ev - masse atomique : 75 g / môle Alors H = 144 75.1000 10 1 H 3 950 gauss De manière générale, les champs magnétiques requis seront compris entre 2 000 et 10 000 gauss. Concrètement, selon un premier type d'agencement, l'organe magnétique 125 est constitué par un ensemble de bobines.Noting: - * -> 13 = pt H ft. : magnetic permeability p: radius of curvature expressed in cm Ec: kinetic energy of the ion expressed in eV M: atomic mass of the ion expressed in g / mol n: the number of charges of the ion So: H. Ideally, the ions should be deflected by 90 ° during the passage of the plasma sheath, so that the radius of curvature should be equal to the thickness of the sheath. In plasma immersion, the following values are typically present: - thickness of the plasma cladding between 1 and 10 cm, - kinetic energy Ec between 200 eV and 10,000 eV, 30 - mass of the ion m between 1 and 100 g / mole. For example, for Arsenic: - thickness of the sheath: 10 cm m.Ec - kinetic energy: 1000 Ev - atomic weight: 75 g / mole Then H = 144 75.1000 10 1 H 3 950 gauss In general, the magnetic fields required will be between 2,000 and 10,000 gauss. Concretely, according to a first type of arrangement, the magnetic member 125 is constituted by a set of coils.

Si les bobines sont alimentées par un courant continu, le champ magnétique présente une orientation fixe, si bien que les trajectoires sont toutes déviées de la même manière. Seuls les flancs présentant une orientation déterminée par l'axe du champ magnétique seront implantés. Cette situation n'est pas favorable pour la plupart des dispositifs.If the coils are fed with a direct current, the magnetic field has a fixed orientation, so that the trajectories are all deviated in the same way. Only the flanks having an orientation determined by the axis of the magnetic field will be implanted. This situation is not favorable for most devices.

On améliore cette situation en alimentant les bobines par un courant alternatif. Dans ce cas, les deux flancs opposés sont implantés sous réserve qu'ils soient alignés avec le champ magnétique. Ici encore, il faut orienter le substrat par rapport à l'axe du champ en fonction de l'orientation des flancs que l'on souhaite implanter.This situation is improved by supplying the coils with an alternating current. In this case, the two opposite flanks are implanted provided that they are aligned with the magnetic field. Here again, it is necessary to orient the substrate with respect to the axis of the field as a function of the orientation of the flanks that one wishes to implant.

Ainsi, la meilleure solution, si l'on veut s'affranchir de l'orientation du substrat, consiste à générer un champ tournant. En référence à la figure 2, suivant un premier mode de réalisation, on prévoit six bobines réparties sur un cercle. Ce cercle est sensiblement disposé à la périphérie du porte-substrat, sous celui-ci. Les bobines sont câblées de manière connue selon le montage en étoile. Il y a en fait trois couples de bobines. Les bobines diamétralement opposées font partie d'un même couple et elles sont agencées en opposition de phase. Les bobines sont donc alimentées comme précisé sur la figure à partir d'une source de courant triphasé dont les trois phases sont repérées A, B et C.Thus, the best solution, if one wants to overcome the orientation of the substrate, is to generate a rotating field. Referring to Figure 2, according to a first embodiment, there are six coils distributed over a circle. This circle is substantially disposed at the periphery of the substrate holder, under it. The coils are wired in a known manner according to the star arrangement. There are actually three pairs of reels. The diametrically opposed coils are part of the same pair and they are arranged in phase opposition. The coils are thus fed as specified in the figure from a three-phase current source whose three phases are marked A, B and C.

Pour régler l'amplitude du champ magnétique, on peut utiliser un roto- transformateur ou bien une alimentation à découpage. En référence à la figure 3, suivant un second mode de réalisation, on prévoit toujours six bobines réparties sur un cercle. Maintenant, ces bobines sont câblées de manière connue selon le montage en triangle. Les bobines sont ici encore regroupées par couples et elles sont toujours alimentées en courant triphasé. Lorsque le champ tourne par rapport au substrat, les flancs sont implantés quelles que soient leurs positions. On obtient un résultat équivalent en 5 faisant tourner le porte-substrat dans un champ magnétique fixe. La présente invention s'applique donc également dans le cas d'un porte-substrat tournant et d'un champ magnétique d'orientation fixée. Ce champ peut toujours être créé par des bobines. Toutefois, l'organe magnétique 125 peut ici prendre la forme d'une 10 pluralité d'aimants agencés pour produire un champ de direction fixe. L'homme du métier comprend bien que ce qui importe est que le champ magnétique présente au moins une composante parallèle au porte-substrat. En effet, l'invention s'applique aussi dans le cas d'un champ oblique pour peu que celui-ci comporte une composante efficace parallèle au porte-substrat.To adjust the amplitude of the magnetic field, it is possible to use a roto-transformer or a switching power supply. Referring to Figure 3, according to a second embodiment, there are still six coils distributed over a circle. Now, these coils are wired in known manner according to the triangle assembly. The coils are here again grouped in pairs and they are always supplied with three-phase current. When the field rotates relative to the substrate, the flanks are implanted regardless of their positions. An equivalent result is obtained by rotating the substrate holder in a fixed magnetic field. The present invention therefore also applies in the case of a rotating substrate holder and a fixed orientation magnetic field. This field can always be created by coils. However, the magnetic member 125 may here take the form of a plurality of magnets arranged to produce a fixed direction field. Those skilled in the art understand that what matters is that the magnetic field has at least one component parallel to the substrate holder. Indeed, the invention also applies in the case of an oblique field as long as it has an effective component parallel to the substrate holder.

15 Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leurs caractères concrets. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.The embodiments of the invention presented above have been chosen with regard to their concrete characteristics. It would not be possible, however, to exhaustively list all the embodiments covered by this invention. In particular, any means described may be replaced by equivalent means without departing from the scope of the present invention.

Claims

REVENDICATIONS1. An enclosure (101) for treating a substrate (107) by means of a plasma comprising a substrate holder (104) for receiving said substrate, characterized in that it comprises a magnetic member (125) for creating a field magnetic device having at least one component parallel to said substrate holder (104).

2. Enclosure according to claim 1, characterized in that said magnetic member (125) is arranged around said substrate holder (104).

3. Enclosure according to claim 1, characterized in that said magnetic member (125) is arranged under said substrate holder (104).

4. Enclosure according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said substrate holder (104) is fixed.

5. Enclosure according to claim 4, characterized in that said magnetic member (125) is constituted by coils. 20

6) Enclosure according to claim 5, characterized in that said coils are powered by an alternating current.

7) Enclosure according to claim 5, characterized in that said coils being fed by a three-phase current, they are arranged to produce a rotating magnetic field.

8) Enclosure according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises means for rotating the substrate holder (104).

9) Enclosure according to claim 8, characterized in that said magnetic member (125) is constituted by magnets. 35

10) Enclosure according to claim 8, characterized in that said magnetic member (125) is constituted by coils. 1)