2.II.2.Le réacteur Flex 45DDTM

Le réacteur Flex45DDTM _{(Figure 2-3) est un réacteur 300mm à couplage capacitif qui est utilisé}

par STMicroelectronics pour graver les diélectriques poreux intégrés dans les interconnections à partir de la technologie C045. Les gaz disponibles sont les suivants : C4F8, CF4, CH3F, CH2F2, SF6, Ar,

O2, H2, N2, CO, CH4, He et NH3.

Figure 2-3: schéma de principe du réacteur Flex 45DDTM

Le plasma est créé grâce à une différence de potentiel alternative générée entre une électrode supérieure en silicium (l‟anode) et une électrode inférieure (la cathode) sur laquelle est maintenue la plaque 300mm. Les nouvelles générations de réacteur capacitif utilisent deux ou trois générateurs radiofréquences à différentes fréquences. Pour la Flex45DD, trois générateurs sont disponibles et fournissent chacun une tension à une fréquence différente à savoir 2, 27 et 60MHz.

Il y a plusieurs intérêts à utiliser différentes excitations radiofréquences dans une décharge capacitive.

Tout d‟abord faisons un rappel théorique : la fréquence de Langmuir pour une espèce « a » du plasma correspond à la fréquence maximum que peut « suivre » cette espèce et est donnée par la relation : a a a m n e 0 2 2 1    

avec e la charge élémentaire, na la densité d‟espèces a dans le plasma et ma la masse

élémentaire de cette espèce et ε0 la constante diélectrique du vide. La masse des espèces ioniques

du plasma étant bien supérieure à celle des électrons, la fréquence de Langmuir des électrons est supérieure à celle des ions du plasma. En introduisant dans le plasma une fréquence élevée (27 et/ou 60MHz) que seuls les électrons peuvent suivre et une fréquence plus basse (2MHz) dont l‟énergie peut être transmise à la fois aux électrons et aux ions du plasma, il devient théoriquement possible de jouer séparément sur la densité et le flux ionique du plasma ce qui, en général, est impossible dans un plasma capacitif. Par ailleurs, la distribution en énergie des espèces ioniques du plasma dépend fortement de la fréquence utilisée. Ainsi, un plasma initié à basse fréquence contiendra des ions d‟énergie relativement élevée et très dispersée alors qu‟un plasma à une fréquence plus importante contiendra des ions moins énergétiques et moins dispersés en énergie (Figure 2-4).

Figure 2-4 : Fonction de distribution des ions en énergie en fonction de la fréquence d’excitation du plasma [LAM]

Le contrôle du flux et de l‟énergie des ions peut être relativement indépendant moyennant quelques précautions [120-122]:



Vrf , la densité du plasma est proportionnelle à la puissance absorbée par les électrons Pe :

n

α Pe α ω²Vrf

Dans le cas d‟un réacteur avec deux générateurs de fréquences différentes, en choisissant la haute fréquence (ωh, Vh) largement supérieure à la basse (ωl, Vl) :

ω

² >> ω

²  ω

² V

>> ω

²V

 n

>>n

Le flux d‟ions contrôlé par la basse fréquence (nl) devient négligeable devant celui contrôlé

par la haute fréquence (nh).



la somme de la tension délivrée par les générateurs de haute et de basse fréquence : Ei ~ 0.41 (Vh+Vl)

En choisissant Vl >> Vh, l‟énergie des ions est contrôlée par la tension du générateur dont la

fréquence est la plus faible.

Le régime permettant un contrôle séparé de l‟énergie et du flux d‟ion est le suivant: 1 ² ²   h l l h V V  

Dans certains cas, il peut être intéressant d‟avoir des ions peu dispersés en énergie. Notamment pour obtenir une bonne sélectivité en fond de via, cela nécessite par exemple de contrôler l‟énergie des ions afin que ces derniers aient l‟énergie adéquate pour graver le diélectrique sans trop consommer la sous-couche sous jacente de SiCN. Il est dans ce cas intéressant de pouvoir travailler à faible dispersion en énergie des ions et donc à forte fréquence (60MHz). Il est intéressant d‟avoir à la fois des ions de faible et forte énergie lors de la gravure du diélectrique : 1) les ions de faible énergie favorisent le dépôt d‟un polymère protecteur sur les flancs de la résine alors que 2) les ions très énergétiques permettent de conserver une bonne directionnalité de la gravure. Il est donc dans ce cas favorable de travailler à faible fréquence d‟excitation du plasma (27MHz). Grâce aux trois fréquences accessibles sur le générateur Flex45DDTM_{, l‟utilisateur peut adapter finement le procéder}

aux contraintes particulières de l‟étape de gravure considérée. Les trois générateurs sont capables de délivrer les puissances suivantes :







L‟uniformité de gravure bord de plaque/centre de la plaque est un problème régulièrement observé : en effet, lorsque les gaz sont injectés au centre de la chambre, les espèces participant à la gravure sont fortement consommées au centre de la plaque avant d‟arriver en bord de plaque. Leur concentration est donc plus importante au centre de la plaque qu‟au bord ce qui conduit à une vitesse de gravure différente entre le bord et le centre de la plaque. D‟autre part, les parois influence la composition du plasma sur les bords de la plaque En effet es espèces radicalaires du plasma peuvent se condenser ou désorber des parois ce qui a un effet sur la concentration des espèces radicalaires au niveau des parois. Afin de remédier à ce problème, l‟injection des gaz est uniformisée sur le réacteur Flex 45DDTM_{. Pour ce faire, les gaz sont d‟une part injectés à travers}

l‟électrode supérieure : ils y sont injectés au bord et au centre de façon ajustable et en ressortent via des orifices régulièrement positionnés sur l‟ensemble de la surface présente au dessus de la plaque. D‟autre part, une option appelée «Tuning Gaz» en anglais permet d‟injecter un faible débit d‟oxygène ou de méthane en bord de plaque en complément des gaz principaux injectés à travers l‟électrode supérieure. Ces gaz permettent d‟ajuster la vitesse de gravure en bord de plaque et d‟améliorer l‟uniformité bord/centre.

L‟électrode supérieure est par ailleurs chauffante et permet de travailler à des températures allant jusqu‟à 120°C. De telles températures sont en effet un bon moyen de limiter le dépôt de résidus de gravure au cours du procédé. Ainsi, les dérives de procédés dues à la modification de l‟environnement de gravure ou la défectivité due à la chute de particules sur la plaque sont diminuées. Cependant, les autres parties du réacteur exposées au plasma sont des zones plus froides que l‟électrode supérieure et cela peut favoriser le dépôt de résidus de gravure pouvant donner lieu à des dérives de procédés à plus long terme.

Une autre particularité du réacteur Flex45DDTM _{est la présence d‟anneaux de confinement en}

quartz qui, comme leur nom l‟indique, permettent de confiner le plasma dans une zone très restreinte au dessus de la plaque à graver (Figure 2-3). Les parois ne sont pas ainsi directement en contact avec le plasma. Leur influence sur le déroulement de l‟étape de gravure est donc largement minimisée et les problèmes de dérive de procédés généralement liés à leur modification progressive sont minimisés.

La pression dans la chambre de gravure est régulée en vide primaire de 10 mTorr à 500 mTorr dans des conditions d‟utilisation standard grâce à une pompe turbo-moléculaire Edwards dont le débit maximum est de 2200l/s.

Pendant le procédé de gravure, la plaque est maintenue en place grâce à un porte substrat à contact électrostatique ou ESC pour « Electro Static Chuck » en anglais. Ce dernier est régulé en température de 20 à 80°C, typiquement 60°C par l‟intermédiaire d‟un gaz caloporteur. En effet, le

transfert thermique est assuré par un flux d‟hélium inférieur à 3 sccm permettant d‟atteindre une pression de 30 Torr en face arrière de la plaquette.

Dans ce type de réacteur, un plasma de nettoyage est effectué entre chaque gravure. Ce plasma de nettoyage étant effectué sans introduire de plaque dans le réacteur, il est appelé WAC pour « Waferless Auto-Clean » en anglais. C‟est un plasma à base d‟oxygène permettant de retirer les dépôts éventuels de fluorocarbone sur les parois.