CHAPITRE II DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX 37
II.1. Présentation du réacteur de gravure 39
II.1.1.
Eléments constituant la plate-forme de gravure
5200 Applied Materials
Les études de gravure ont été conduites sur une plate-forme de gravure 5200 commercialisée par Applied Materials et installée dans les salles blanches du CEA-Léti. Ce bâti de gravure industriel1,2 est modifié pour recevoir des outils de diagnostic qui permettent l’analyse in-situ
ou quasi in-situ de nos procédés de gravure.
La Figure II-1 illustre cette plate-forme, qui est constituée :
- de deux sas de chargement : chacun permettant de charger et décharger jusqu’à 25
substrats de silicium de 200 mm de diamètre ;
- d’une chambre de transfert : constituée d’un bras robotisé permettant le transfert des
substrats d’une chambre à une autre. Le vide dans le sas de chargement et la chambre de transfert (quelques mTorr) est assuré par une pompe primaire ;
- d’une chambre d’orientation de substrat : équipée d’un laser permettant le repérage
de l’encoche des tranches silicium. Il permet l’introduction de celles-ci dans la chambre de gravure toujours avec la même orientation ;
- d’une chambre de gravure DPS (Decoupled Plasma Source) : équipée d’une
source à couplage inductif et essentiellement dédiée à la gravure des grilles en poly- silicium et métallique ;
- d’une deuxième chambre de gravure de type MERIE3
(Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching): équipée d’une source à couplage capacitif et réservée à la
gravure de matériaux diélectriques ;
- d’une troisième chambre de gravure DPS+ : équipée d’une source à couplage
inductif et d’un porte-substrat chauffant. Elle est essentiellement réservée à la gravure des métaux et des oxydes métalliques (HfO2) ;
- d’une chambre d’analyse de surface par XPS « Meca 2000 » : reliée à la chambre
de transfert du bâti DPS 5200 par une seconde chambre robotisée maintenue à 10-7 Torr, elle permet des caractérisations quasi in-situ, sans exposition de l’échantillon à une atmosphère oxydante. L’analyse par XPS constitue un atout fondamental pour les études envisagées ;
- un système de détection de fin d’attaque combinant les techniques d’émission
optique et d’interférométrie : l’EyeD de Verity Instrument ;
- un spectromètre de masse « Analytical EQP » commercialisé par la société Hiden.
II.1.2.
Présentation du réacteur DPS
Le réacteur plasma de la DPS, représenté sur la Figure II-2, est un réacteur plasma haute densité4 (1010-1012 ions.cm-3) qui permet de graver des substrats de 200 mm de diamètre.
Figure II-2 : Schéma du réacteur de gravure DPS.
Tout l’intérêt de ces sources dites de « haute densité » est qu’elles permettent de travailler à basse pression (quelques mTorr) et de contrôler indépendamment le flux et l’énergie des ions qui bombardent le substrat. Ces réacteurs de gravure haute densité sont massivement employés actuellement dans l’industrie microélectronique et en particulier pour la gravure de la grille de transistor en silicium où le contrôle de l’énergie des ions indépendamment de leur flux est primordial pour obtenir une bonne anisotropie et sélectivité de gravure.
Le réacteur plasma DPS est muni de deux générateurs radiofréquences :
- le premier à la fréquence de 12.56 Mhz pour la création du plasma via un couplage inductif qui permet de contrôler la valeur du flux ionique bombardant le substrat - le second à la fréquence de 13.56 Mhz, couplé de manière capacitive au substrat et qui
permet de contrôler l’énergie des ions bombardant ce dernier.
Les générateurs de puissance RF de la source et du substrat sont de fréquences différentes afin d’éviter tous phénomènes d’interférences.
II.1.2.1.
La source ICP
Il existe deux catégories principales de sources haute densité qui diffèrent par la façon dont la puissance électrique est couplée au plasma : les sources utilisant un couplage excitant des ondes progressives comme les Hélicons et ECR5,6 (Résonance Cyclotronique Electronique), et
les sources à couplage inductif dites ICP (Inductive Coupled Plasma)7,8,9,10 dont fait partie
notre réacteur de gravure DPS.
Dans une source ICP, le transfert de la puissance électrique au plasma se fait par couplage inductif au moyen de spires enroulées autour du réacteur et à travers une fenêtre de diélectrique comme représenté sur la Figure II-3.
Figure II-3 : Schéma d’une source de type ICP
Le principe de fonctionnement de ce type de source est le suivant: une antenne séparée du plasma par une paroi diélectrique est alimentée en puissance radiofréquence (RF) via une boite d'accord en impédance. Le courant RF circulant dans l'antenne induit un champ électromagnétique B dans le plasma. Les oscillations RF de ce flux magnétique induisent alors un champ électrique oscillant E dans le plasma conformément aux équations de Maxwell. Ce champ électrique induit est relativement faible (typiquement 2V.cm-1) et permet d’entretenir le plasma, une fois celui-ci amorcé.
II.1.2.2.
Porte-substrat à clampage électrostatique
Le porte-substrat à clampage électrostatique11 permet de maintenir les substrats à la
température désirée (50°C dans notre cas). Le contrôle en température est assuré par circulation d’un liquide thermostaté dans le porte-substrat, et les transferts d’énergie entre le porte-substrat et l’échantillon sont assurés par un film d’hélium dont la pression est ajustable (une pression de l’ordre de 7-8 Torr est requise pour assurer un transfert thermique efficace). Le porte-substrat est polarisé grâce à un générateur RF de 13.56 MHz, délivrant une puissance maximale de 190 W. Le système de clampage électrostatique permet d’éviter les problèmes de contamination et de reproductibilité qui se présentent avec un clampage mécanique.
II.1.2.3.
Les boîtes d’accord
Les deux générateurs radiofréquence du réacteur fonctionnent sur des impédances réelles de 50 Ω. Des boîtes d’accord automatiques dont le schéma de principe est donné sur la Figure II-4 ont pour fonction d’assurer cette valeur vue par les générateurs quelles que soient les
conditions plasma utilisées. Des moteurs d’asservissement permettent de régler la valeur de deux condensateurs (C1 et C2) afin d’adapter l’impédance. Ceci a pour but d’éviter qu’une grande partie de l’énergie radiofréquence ne soit réfléchie plutôt que d’être absorbée par le plasma.
Figure II-4 : Schéma électrique de la boîte d’accord
II.1.2.4.
Les groupes de pompage
Le vide dans le réacteur est assuré par l’association d’une pompe primaire et d’une pompe turbo-moléculaire (2000 l/s), qui fournit un vide secondaire limite de quelques 7.10-4 mTorr. La puissance de ces groupes de pompage permet de travailler avec des débits de gaz élevés (environ 200 sccm au total), ce qui augmente la vitesse de gravure tout en maintenant des pressions de travail adaptées à la gravure (quelques mT). Le contrôle de la pression est effectué par une vanne motorisée, asservie automatiquement pour conserver une pression constante dans le réacteur en cours de procédé. Une pompe primaire sert à assurer le vide dans le sas de chargement (quelques 10 mTorr) et une autre dans la chambre de transfert (quelques 10 mTorr).
II.1.2.5.
Les différents paramètres du réacteur
Pour établir nos procédés de gravure à partir du réacteur DPS 5200, nous pouvons jouer sur quatre paramètres :
- la puissance source injectée dans l’antenne qui contrôle la densité des ions (0 à 2000 W) - la puissance de polarisation (aussi appelée « puissance bias ») appliquée au substrat et qui contrôle l’énergie des ions (0 à 190 W)
- la pression de travail (4 à 80 mT)
- les gaz injectés et leur débit. Les gaz disponibles sont : Cl2, HBr, O2, N2, He-O2 (30% d’O2),
CF4, SF6 et Ar, et leur injection dans le réacteur est assurée par des contrôleurs de débit
massique. Les débits des gaz sont exprimés en sccm (Standard Cubic Centimeter per Minute), soit des cm3.min-1 dans les conditions normales de température et de pression ( à 273° K et à 1bar, 1sccm = 1,67. 10-8 m3/s). Les débitmètres massiques utilisés peuvent fournir un débit de gaz compris entre 5% et 100% de leur débit maximal. (Un débitmètre pouvant fournir 200sccm de gaz au maximum pourra fournir une plage de débits comprise entre 10 et 200 sccm).