Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma est un procédé utilisé pour déposer des couches minces sur un substrat à partir d'un état gazeux.



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Micro-électronique - Électronique

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Equipement de PECVD.

Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD, pour plasma-enhanced chemical vapor deposition) est un procédé utilisé pour déposer des couches minces sur un substrat à partir d'un état gazeux (vapeur). Des réactions chimiques se déroulent au cours du processus après la formation d'un plasma à partir des gaz du réacteur. Le plasma est le plus souvent créé à partir de ce gaz par radio-fréquences ou par une décharge électrique entre deux électrodes.

Décharge de traitement

Un plasma est un gaz dans lequel un pourcentage important d'atomes ou de molécules sont ionisés. L'ionisation partielle dans les plasmas utilisés pour les dépôts fluctue de 10−4 pour les décharges capacitives typiques à 5-10% pour les plasmas inductifs à haute densité. Les plasmas de traitement sont le plus souvent positionnés à des pressions de l'ordre de quelques millitorr à quelques torrs, quoique l'arc de décharge et le plasma inductif peuvent être allumés à pression atmosphérique. Les plasmas avec une ionisation partielle particulièrement faible sont d'un grand intérêt pour le traitement des matériaux car les électrons, ayant une très faible masse comparativement à des atomes ou des molécules, n'échange que particulièrement peu d'énergie avec le gaz neutre. Donc, les électrons peuvent être maintenus à des températures équivalentes particulièrement élevées (de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de degrés, ce qui équivaut à une énergie moyenne de plusieurs électron-volts) alors que les atomes neutres demeurent à la température ambiante. Ces électrons à haute énergie subissent alors des processus dont la probabilité est particulièrement faible à température ambiante, tels que la dissociation de molécules précurseures ou la création de grandes quantités de radicaux libres.

Un second avantage du dépôt avec une décharge provient de la plus grande mobilité des électrons comparé aux ions. En conséquence, le plasma est normalement chargé plus positivement que n'importe quel objet avec lequel il est en contact, faute de quoi un flux important d'électrons s'écoulerait du plasma vers l'objet. La différence de potentiel entre le plasma et les objets à son contact chute particulièrement rapidement sur une très faible épaisseur. Les atomes ou molécules ionisés qui diffusent en bordure de cette couche limite subissent une force électrostatique et sont accélérés vers la surface voisine. Ainsi, l'ensemble des surfaces exposées au plasma reçoivent un bombardement d'ions à haute énergie. Le potentiel à travers la couche limite qui entoure un objet isolé électriquement (le potentiel flottant) est le plus souvent de l'ordre de 10 à 20 V uniquement. Cependant des potentiels bien plus élevé peuvent être atteints par des ajustements dans la géométrie ou la configuration du réacteur. La conséquence de ce bombardement d'ions énergétique en cours de dépôt est qu'il peut entraîner une augmentation de la densité du film et aider à éliminer les contaminants, perfectionnant ainsi les propriétés électriques et mécaniques du film. Dans le cas d'un plasma à haute densité, la densité d'ions peut être augmentée suffisamment pour accroitre significativement le phénomène de pulvérisation de la couche déposée pour planariser le film et de remplir les tranchées et les trous.

Types de réacteur

Une simple décharge en courant continu créée sous une pression de quelques torrs entre deux électrodes peut suffire pour les dépôts de matériaux conducteurs. Cependant, en ce qui concerne les films diélectriques, cela ne peut suffire car la décharge s'éteindra rapidement. Dans ce cas, il est plus courant d'employer une excitation par décharge capacitive en appliquant un courant alternatif ou radio-fréquence entre une électrode et les parois conductrices d'une chambre de réacteur (ou entre deux électrodes cylindriques se faisant face). Cette dernière configuration est connue sous le nom de réacteur à plaques parallèles. Des fréquences variant de quelques dizaines à quelques milliers de hertz produiront des plasmas variant dans le temps, avec des extinctions et des allumages réguliers, tandis que des fréquences de plusieurs dizaines de kilohertz à quelques dizaines de mégahertz produiront des des décharges assez stables dans le temps.

Les excitations à basse fréquence (autour de 100 kHz) nécessitent plusieurs centaines de volts pour maintenir la décharge. Ces tensions importantes amènent à un bombardement ionique à haute énergie des surfaces. Les plasmas à haute fréquence sont le plus souvent excités à une fréquence standard de 13, 56 MHz. A ces fréquence, le courant induit par le déplacement de la couche limite et la diffusion au sein de celle-ci contribue à l'ionisation et permet par conséquent de diminuer les tensions requises pour atteindre des plasmas à haute densité. On peut ainsi régler la chimie et le bombardement ionique au cours du dépôt en modifiant la fréquence d'excitation ou en utilisant un mélange de basses et de hautes fréquences dans un même réacteur. Pour une électrode d'un diamètre de 200 à 300 mm, la puissance d'excitation peut alors atteindre de quelques dizaines à quelques centaines de watts.

Les plasmas capacitifs sont le plus souvent particulièrement peu ionisés, ce qui entraîne une dissociation limitée des précurseurs et de faibles taux de dépôt. Des plasmas plus denses peuvent être créés en utilisant les décharges inductives où une bobine d'induction excitée par un signal haute fréquence induit un champ électrique au sein de la décharge, accélérant ainsi les électrons présents dans le plasma lui-même plutôt que juste ceux présent au bord de la couche limite. Des puissances d'excitation de plusieurs dizaines de kilowatts sont fréquemment utilisées dans les réacteurs modernes.

Applications

Le dépôt par plasma est fréquemment utilisé dans la fabrication de systèmes à semi-conducteurs pour déposer des films sur des plaquettes possédant une ou plusieurs couches métalliques ou d'autres structures sensibles à la température. L'oxyde de silicium (SiO2) peut être déposé à partir de dichlorosilane ou d'un mélange de silane et d'oxygène, le plus souvent à des pressions allant de quelques centaines de millitorrs à quelques torrs. Un niture de silicium déposé par plasma, constitué à partir de silane et d'ammoniac ou d'azote, est aussi beaucoup utilisé même s'il est important de noter qu'il est impossible de déposer un nitrure pur de cette façon. En effet, le plasma contenant toujours une grande quantité d'hydrogène, ce dernier peut se greffer sur le silicium (Si-H) ou sur l'azote (Si-NH). La présence d'hydrogène influence de manière importante l'absorption UV, la stabilité, le stress mécanique et la conductivité électrique de la couche déposée.

L'oxyde de silicium peut aussi être déposé à partir de tétraéthoxysilane (TEOS) dans un plasma oxygène ou oxygène-argon. Ces films peuvent alors être contaminés significativement par du carbone et de l'hydrogène sous forme de silanol et être instables à l'air. Des pressions de quelques torrs combinées avec une faible distance inter-électrodes peuvent permettre d'atteindre un taux de dépôt important avec une bonne stabilité du film.

Voir aussi

Références

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