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FR2463975A1 - Procede et appareil pour la gravure chimique par voie seche des circuits integres - Google Patents

Procede et appareil pour la gravure chimique par voie seche des circuits integres Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA TECHNIQUE DE GRAVURE CHIMIQUE PAR VOIE SECHE OBTENUE PAR BOMBARDEMENT IONIQUE D'UN SUBSTRAT PLACE DANS UNE ENCEINTE A VIDE. LE SUBSTRAT EST EN CONTACT AVEC UNE ELECTRODE RELIEE A UNE SOURCE A HAUTE FREQUENCE DONT LA MASSE EST RELIEEA LA MASSE DE L'ENCEINTE. LES ELEMENTS REACTIFS SONT PRODUITS SOUS FORME DE PLASMA PAR UNE DECHARGE ELECTRIQUE ENTRETENUE DANS L'ENCEINTE CONTENANT UN GAZ OU UN MELANGE DE GAZ APPROPRIE. DANS CES CONDITIONS, ON OBTIENT SIMULTANEMENT L'ATTAQUE DU FOND D'UN SILLON A GRAVER ET UNE EROSION NOTABLE DE SES BORDS. L'INVENTION EST CARACTERISEE EN CE QU'ON PRODUIT LE PLASMA A L'AIDE D'UNE SOURCE HYPERFREQUENCE 28 ET LA TENSION DE POLARISATION A L'AIDE D'UNE SOURCE A HAUTE FREQUENCE 18, LE REGLAGE DES FREQUENCES RESPECTIVES DES DEUX SOURCES PERMETTANT D'OBTENIR L'ATTAQUE DU FOND D'UN SILLON A GRAVER SANS EROSION DE SES BORDS. APPLICATION A LA FABRICATION DES CIRCUITS INTEGRES A HAUTE DENSITE.

Description

La présente invention concerne le domaine de la fabrication des circuits
intégrés et plus spécialement elle concerne la technique de gravure
chimique des circuits par voie sèche.
Plusieurs types de procédés de gravure permettent de réaliser des détails fins des circuits intégrés. Les plus connus sont les procédés de
gravure par faisceau d'électrons, les techniques de photogravure utili-
sant la gravure chimique par voie sèche.
Les procédés de gravure chimique par voie sèche mettent en oeuvre
une source d'éléments réactifs produits sous forme de plasma par une déchar-
ge électrique à haute fréquence entretenue dans une enceinte à vide conte-
nant un gaz ou un mélange de gaz convenablement choisi, sous faible pression.
La décharge engendre un plasma producteur de radicaux, d'ions et d'électrons susceptibles de donner avec un substrat des réactions chimiques conduisant
à la gravure.
Les appareils permettant d'appliquer ce procédé de gravure chimi-
que par voie sèche comprennent une enceinte à vide comportant une électrode interne supportant le substrat à graver et qui est portée au potentiel d'une source de puissance à haute fréquence. La masse métallique de l'enceinte, constituant la seconde électrode est reliée à la masse de la source à haute
fréquence.
Lorsque la source HF fonctionne, le gaz contenu dans l'enceinte s'ionise et devient un plasma. Un bombardement ionique du substrat se produit en raison de l'existence d'un potentiel électrique continu du plasma,
ce potentiel étant suffisamment positif par rapport au substrat.
L'état de la technique rappelé ci-dessus peut être illustré par la demande de brevet français 2 312 114 qui revendique un procédé pour
l'attaque sélective d'un matériau par des ions réactifs.
Des expériences récentes montrent que la gravure est liée au bom-
bardement ionique du fond du sillon par des particules d'énergie de quelques centaines d'électrons-volts comme indiqué par M.F. WINTERS dans Journal
of Applied Physics 49 (10) de 1978.
Les travaux de l'inventeur dans le domaine des décharges électri-
ques lui ont permis de montrer que dans l'application de ces décharges
à la gravure chimique il était possible, dans certaines conditions, d'ob-
tenir que la décharge donne à la gravure un caractère anisotrope, c'est-à-
dire que le fond du sillon à graver se trouve attaqué bien plus rapidement
que ses parois.
Une étude des propriétés générales du potentiel de plasma dans une décharge capacitive à haute fréquence a été publiée par le demandeur
dans un compte rendu à l'Académie des Sciences de Paris T. 287 du 18.12. 78.
Dans la décharge capacitive à haute fréquence, le plasma est entre-
tenu par le passage à travers les gaines qui bordent les électrodes d'un -
courant alternatif en provenance du générateur HF. Ce courant impose une différence de potentiel alternative à la gaine et si la fréquence est suffisamment basse et la puissance absorbée suffisamment élevée, la valeur efficace V de cette différence de potentiel alternative est bien plus élevée A que la différence de potentiel continue V liée à la diffusion ambipolaire
de la décharge continue de même température électronique.
Du fait de cette différence de potentiel alternative, les élec-
trons du plasma pourraient s'en échapper très rapidement si le potentiel continu de ce plasma ne devenait suffisamment positif pour que les électrons
restent confinés; on montre que la différence de potentiel continue, obte-
nue par cet effet, analogue au comportement d'un redresseur, est au moins égale à VA V-Zr Par ailleurs, l'épaisseur de gaine est liée d'une part, à cette différence de potentiel continue, à la densité électronique du plasma et à sa température électronique, par la loi de Child-Langmuir; elle est,
d'autre part liée à VA par la relation qui exprime la différence de poten-
tiel à haute fréquence à travers la gaine comme le produit de l'impédance de gaine par le courant à haute fréquence. De ces deux relations on tire
l'expression qui donne l'énergie potentielle des ions du plasma, c'est-à-
dire l'énergie qu'auraient les ions bombardant le substrat s'ils parvenaient
à traverser la gaine sans collision sur les neutres.
Dans ces conditions, l'énergie W+ des ions bombardant le substrat est donnée par la relation: (1) k7.W+ = 1,26 (6*p) W ou: k est la constante de Boltzmann, Te la température électronique de la décharge, W /21 la fréquence appliquée, wp/2 Q la fréquence de plasma (liée à la densité électronique n du plasma par la relation.s pz ou e est la charge de l'électron, m la masse de l'électron et ^, la permittivité diélectrique du vide), W l'énergie fournie par la source à haute fréquence à l'électron moyen
de la décharge entre deux collisions sur les neutres.
La relation (1) s'écrit aussi: (2) W = (1,26) -2 e2 (kT)-2 ou2 (V)ou: + eV est le libre parcours moyen pour les électrons de la décharge et, (V) la densité de puissance à haute fréquencep étant la puissance et V le V volume. Pour que ces relations soient applicables, il faut de plus que l'épaisseur de gaine 1 de la décharge soit inférieure au libre parcours moyen k pour les ions de la décharge, soit:
(3) 1 4
On a en effet:
-1/2 -7/4
(4) A i = â/4 et (5) 1 -1/2 (W) 3/2 (kT)-i wJ2 4-3 qui s'écrit encore: O e (6) 1 = -1 e2 m-3/4 (P)3/2 n 1/ (kT) 743 2 oO V e e et par conséquent, on doit avoir: -1 2 -3/4 (P) 3/2 -1/2 (kTe)-/4 1/2 -3 1
o4 W> n e (kTe) î2.
Or, si la décharge électrique est entretenue par la haute fréquence
(J /2 q cette dernière condition est souvent incompatible avec les rela-
tions qui traduisent les bilans énergétiques et particulaires de la décharge et qui sont des relations complexes dépendant des propriétés spécifiques
des mélanges gazeux utilisés.
En effet, l'examen des équations (2) et (7) suggère que, pour obte-
nir un bombardement ionique d'énergie suffisante (100 eV par exemple) sur le substrat, il ne faut pas choisir une valeur trop élevée pour (A; or la condition (7) ne peut 8tre respectée dans ces conditions que si la valeur de la densité électronique n est suffisamment élevée et si la densité de e puissance (-) n'est pas trop grande, ce que l'on ne sait en général pas V obtenir simultanément en raison des contraintes dues aux relations de
bilan mentionnées plus haut.
Les exemples suivants illustrent des cas o les deux conditions ne se trouvent pas réalisées simultanément: Exemple 1: si GJ/2 = 13,56 MHz, P 200 W; V = 5.103 m 3
-3 16 - 3
Te = 8 eV; m = 3.10- m e -2 e(2 4 W- = 1,25.102 eV; (CJp/ 175 14 -2 V = 9500 Vet 1 = 1,5.102 m p o
La condition >4 1 n'est pas respectée.
-3 3
Exemple 2: si C4/2 = 13,56 MHz; P = 20 W; V = 5.10 m:; Te =8 eV; = 3.10 m; n = 4.1016 m-3; W- 25103eV 2 4 e (w p/ j)2 = 1,75.104; Vp = 95 Vet 1 = 0, 5.10 3m La condition >4 1 est réalisée mais il n'est pas possible d'obtenir une densité électronique de 4.1016 m-3 avec une puissance de 20W -3 3
dans 5.10-3 m: ce cas est donc irréalisable dans la pratique.
Le but de l'invention est de fournir un moyen commode pour s'affran-
chir des contraintes liées aux relations de bilan dépendant des propriétés spécifiques des mélanges gazeux utilisés, de telle sorte qu'il soit possible d'obtenir simultanément une valeur suffisamment faible pour la densité de puissance à haute fréquence (T) et une valeur suffisamment élevée pour la densité électronique (n) de telle sorte qu'il devient possible de satisfaire
la condition (7) ci-dessus.
Le procédé selon l'invention pour la gravure des circuits intégrés par exposition d'un substrat à graver à un plasma créé dans une enceinte étanche contenant un gaz ou un mélange de gaz sous faible pression, le substrat étant disposé sur une électrode interne polarisée par une tension à haute fréquence est caractérisé en ce que l'on produit le plasma par une source d e p 1 a s m a indépendante de la source de la tension de polarisation. Un appareil pour appliquer le procédé selon l'invention comprend
une enceinte étanche contenant un gaz ou un mélange de gaz sous faible pres-
sion, une électrode interne isolée de l'enceinte supportant le substrat à graver, des moyens de connecter respectivement l'électrode interne et la masse de l'enceinte constituant une seconde électrode à une source de tension
de polarisation à haute fréquence, des moyens d'introduire un gaz ou un mé-
lange de gaz approprié à l'intérieur de l'enceinte ainsi que des moyens d'évacuation, et il est caractérisé en ce que la paroi de l'enceinte comporte
une ouverture de mise en communication avec une source de plasma.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la source de
plasma est constituée par un générateur hyperfréquence ou micro-onde.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la source de
plasma est constituée par une source à cathode creuse.
L'invention va être décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un appareil selon l'invention pour la gravure de circuits intégrés; - la figure 2 représente une vue partielle d'un autre mode de réalisation de
l'appareil selon l'invention.
L'appareil comprend une enceinte métallique à vide 1 qui peut être une cavité accordée ou un simple réservoir,composée d'une cloche 2 à section circulaire et dbnsocle 3 réunis par des moyens de fixation 4 métalliques,
avec interposition d'un joint étanche 5.
A l'intérieur de l'enceinte à vide est disposée une électrode métallique 6, isolée de la paroi de l'enceinte par des pieds isolants 7 fixés sur le socle 3. L'électrode est conformée selon un disque épais sur lequel sont fixés les substrats 8 à graver. La paroi de l'enceinte 1 comporte des ouvertures 9 et 10 dans lesquelles débouchent respectivement des canalisations pour le raccordement avec un système de pompage 1i comportant une varifie de réglage 12 et avec un système d'introduction des gaz 13 comportant des
vannes 14.
L'électrode 6 est reliée par un conducteur 15 traversant la paroi par une traversée étanche isolée 16,d'une part,à une borne 17 d'une source de puissance à haute fréquence.18.dont la fréquence est comprise entre 1
et 30 MHz, par exemple la fréquence industrielle de 13,56 MHz, par l'inter-
médiaire d'un condensateur 19, et, d'autre part, à la masse à travers une résistance 20 de valeur élevée par exemple supérieure à 10 M _Q, et un
appareil de mesure du courant 21 shunté par un condensateur 22.
Les parois de l'enceinte 1 constituant la seconde électrode compor-
tent une connexion de mise à la masse 23, le pôle 24 de la source 18 étant
également connecté à la masse.
Selon l'invention, l'enceinte à vide comporte des moyens de commu-
nication avec une source de plasma. A cet effet, la paroi supérieure de l'enceinte 1 présente une ouverture 25 munie d'un iris de couplage 26 et un
guide d'onde 27 de liaison avec un générateur à micro-onde 28 dont la fré-
quence peut être réglée entre 3 et 10 GHz.
L'enceinte comporte sur sa paroi interne une sonde de Langmuir 29 reliée par un conducteur 30 à un dispositif d'affichage de la densité de
plasma 31.
Grâce à la mise en oeuvre de la disposition décrite ci-dessus, seules les relations (3) et (4) citées précédemment sont à considérer avec
les relations (8) et (10) dont il va être question ci-après.
On peut expliciter le nouveau procédé à partir de la relation connue 5/4 1/2 (8) 1 = 2 t-1/4 n -1/2 (kTe) 1/4 Vp o 3 e Si l'on suppose que les données de départ sont ) La pression p sous laquelle on entend opérer la gravure, ) La tension d'accélération Vpo jugée optimale pour obtenir le taux
d'anisotropie désirée.
Le choix d'une pression p fournit A sans ambiguïté. La relation (3) devient alors (avec les valeurs numériques connues des constantes physiques).: (9) ne >, 1,4.10 -2 VA O. Vpo o VT est la température électronique mesurée en élec ron-volts. Par exemple, si le libre parcours moyen est égal à un millimètre (10 m) et V = 6 eV,
16 -3T
on a: n > 5,7.10 m On règlera le générateur hyperfréquence de façon à produire la
densité électronique minimale définie par la relation (9) ci-dessus.
La tension d'accélération Vpo choisie est obtenue par réglage de
la source à haute fréquence 18.
Dans la décharge hyperfréquence, lès gaines sont d'épaisseur négli-
geable et le potentiel du plasma est très voisin de celui de la masse. En connectant l'électrode 6 sur laquelle se trouve le substrat à graver à la source 18 fournissant la tension HF, on provoque la formation d'une gaine supplémentaire d'épaisseur notable autour de l'électrode et l'apparition d'une tension continue Vp de polarité convenable entre l'électrode et le
plasma ce qui favorise le bombardement ionique.
La relation suivante-lie cette tension Vp à la densité de courant alternatif injecté I/S (S est la surface totale de l'électrode en contact avec le plasma):
21) V -1 -2 -4 -1 (I)4
(10) Vp = 1,58. î_o2 e' n C^j (kTe)- (-
L'opérateur n'a cependant pas besoin de mesurer I pour régler son appareil. La tension Vp apparaît en effet entre l'électrode et la masse; il suffit donc de lire sur l'ampéremètre 21 le courant continu IA traversant la résistance 20 pour connaître Vp par la relation Vp = IA R. Puisque le générateur hyperfréquence a été réglé comme indiqué plus haut, la condition (3) est respectée. Tant que Vp est plus petit ou
égal à Vpo, les ions accélérés vers le substrat ne subissent pas de colli-
sion dans la gaine. Si Vp > Vpo, ces collisions entrent en jeu et la gra-
vure devient isotrope. Enfin, si Vp est trop faible, l'effet du bombarde-
ment ionique devient négligeable et la gravure devient isotrope. Il convient
donc de régler au mieux Vp à la valeur choisie Vpo.
L'utilisation d'une tension alternative à haute fréquence pour la polarisation de l'électrode 6 permet de polariser par rapport à un plasma des
substrats isolants.
On résume maintenant le processus de réglage de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention: On choisit la tension d'accélération Vpo, On règle le générateur hyperfréquence 28 de façon à obtenir une densité satisfaisant à (9), On règle Vpo(en faisant croître Vp calculé par la formule Vp = RIA à partir du courant continu IA mesuré par 21)par réglage manuel de la densité de courant à haute fréquence I/S injectée par la source HF 18 dans le plasma
à travers l'électrode 6.
Dans la figure 2, la paroi supérieure de la cloche 2 de l'enceinte
à vide 1 est munie d'une ouverture dans laquelle débouche la partie fronta-
le 32 d'un générateur de plasma à cathode creuse 33 comportant un système
d'alimentation et d'amorçage.
On procède au réglage de l'appareillage comme dans le cas de la
figure 1, la cathode creuse ayant préalablement été amorcée.
La gravure anisotrope obtenue comme il vient d'9tre indiqué permet d'augmenter la densité des gravures sur un substrat à graver et confère à l'invention des applications à la fabrication des circuits intégrés à haute densité.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1 - Procédé pour la gravure de circuits intégrés par exposition d'un substrat à graver à un plasma créé dans une enceinte étanche contenant un gaz ou un mélange de gaz sous faible pression, le substrat étant disposé sur une électrode interne polarisée par une tension à haute fréquence, caractérisé en ce que l'on produit le plasma par une source de plasma
indépendante de la source de la tension de polarisation.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la
source de plasma est constituée par un générateur hyperfréquence.
3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la
source de plasma est constituée par un générateur à cathode creuse.
4 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, carac-
térisé en ce que l'on choisit pour la source de plasma une fréquence comprise entre 3 et 10 GHz et pour la tension de polarisation une fréquence de 1 à
30 MHz.
- Appareil pour la gravure des circuits intégrés comprenant une enc-einte étanche contenant un gaz ou un mélange de gaz sous faible pression, une électrode interne isolée de l'enceinte, supportant le substrat à graver, des moyens de connecter l'électrode interne et la masse de l'enceinte à une
source de tension de polarisation à haute fréquence, des moyens d'introduc-
tion d'un gaz ou un mélange de gaz approprié à l'intérieur de l'enceinte ainsi que des moyens d'évacuation et il est caractérisé en ce que la paroi de l'enceinte comporte une ouverture de mise en communication avec une source
de plasma.
6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ou-
verture de mise en communication comporte un iris de couplage d'un guide
d'onde en relation avec un générateur hyperfréquence.
7 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ou-
verture de mise en communication laisse emerger, à l'intérieur de l'enceinte
la partie frontale d'un générateur de plasma à cathode creuse.
8 - Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que
l'électrode interne comporte des moyens de liaison à la masse par l'inter-
médiaire d'une résistance de valeur élevée et d'un appareil de mesure de l'intensité.
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