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WO2006003322A2 - Implanteur ionique fonctionnant en mode plasma pulse - Google Patents

Implanteur ionique fonctionnant en mode plasma pulse Download PDF

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WO2006003322A2
WO2006003322A2 PCT/FR2005/001468 FR2005001468W WO2006003322A2 WO 2006003322 A2 WO2006003322 A2 WO 2006003322A2 FR 2005001468 W FR2005001468 W FR 2005001468W WO 2006003322 A2 WO2006003322 A2 WO 2006003322A2
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WO
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plasma
phase
imp
substrate
implant
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PCT/FR2005/001468
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WO2006003322A3 (fr
Inventor
Frank Torregrosa
Gilles Mathieu
Laurent Roux
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Ion Beam Services SA
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Ion Beam Services SA
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Publication date
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32412—Plasma immersion ion implantation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
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    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32697—Electrostatic control
    • H01J37/32706—Polarising the substrate

Definitions

  • the present invention relates to an ion implanter operating in pulsed plasma mode.
  • the field of the invention is that of ionic implants operating plasma immersion mode.
  • 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), in order to create a electric field capable of accelerating plasma ions to the substrate.
  • the penetration depth of the ions is determined by their acceleration energy. It depends on the one hand on the voltage applied to the substrate and on the other hand on the respective nature of the ions and the substrate.
  • the concentration of implanted atoms depends on the dose expressed in the number of ions per cm 2 and the depth of implantation. For reasons related to the physics of plasmas, it is created, in nanoseconds after the application of the voltage, an ionic sheath around the substrate. The potential difference responsible for the acceleration of ions towards the substrate is found at the terminals of this sheath.
  • I current density
  • ⁇ o vacuum permitivity
  • e ion charge
  • V 0 potential difference across the sheath
  • s thickness of the sheath.
  • the thickness of the sheath is mainly related to the applied voltage, the density of the plasma and the mass of the ions.
  • the equivalent impedance of the plasma which conditions the implantation current is directly proportional to the square of the sheath thickness.
  • the implantation current therefore decreases very rapidly as the sheath increases.
  • Ion implantation in plasma immersion mode has a number of disadvantages.
  • pulsed high voltage power supplies are very expensive, often fragile and directly affect the quality of the implementation performed.
  • VARIAN has proposed a pulsed plasma process known as "PLAD” (for the English word PLAsma Doping). This process is presented in two articles of the journal Surface and Coatings Technology No. 156 (2002) “Proceedings of the Vlth International Workshop on Plasma-Based Ion Implantation (PBII - 2001), Grenoble, France, 25-28 June, 2001” published by Elsevier Science BV:
  • This method also consists in polarizing the substrate with a pulsed high voltage. However, the electric field created between the substrate and a ground electrode located opposite to draw the plasma. The field lines around the substrate allow acceleration and ion implantation.
  • the pulsed plasma makes it possible to overcome some of the side effects described above, but the constraints associated with the use of a high-voltage pulse generator are still present.
  • the characteristics of the plasma can not be separated from the bias voltage.
  • the machine is not very versatile: it has a reduced range of acceleration voltage and it is always difficult to implant non-plasmagene species.
  • US 5,558,718 teaches a pulsed-source ion implantation apparatus and method.
  • This ion implantation apparatus is devoid of high voltage pulse generator. It uses a pulsed plasma source and a constant voltage applied to the target by a power source.
  • a high capacity circuit is connected in parallel with this power source.
  • This circuit which has a resistor and a capacitor in series has a number of limitations. First, it consumes a lot of energy. Then, it must be designed to be adapted to the volume of the target to be ionized. Finally, the time constant of this parallel circuit must be greater than the duration of the pulse from the generator.
  • DE 195 38 903 proposes an apparatus provided with a plasma source, a substrate-carrying tray and a supply of this tray.
  • This apparatus comprises a resistor disposed between the plate and the power supply; a capacitance connected to ground is connected to the common point of power and resistance.
  • the resistance which is here provided to limit the arc currents generates a potential drop across its terminals. This potential drop depends on the implantation current and thus seriously disturbs the control of the acceleration voltage that is applied to the substrate holder.
  • an ionic implanter comprises a pulsed plasma source, a substrate-carrying plate and a power supply connected directly between this substrate-carrying plate and the ground; in addition, it comprises a capacitor connected between the mass and said substrate-carrying plate.
  • this power supply of the plate comprises a DC voltage source connected in series with a load impedance.
  • the impedance is a resistance which is between 15 ⁇ s and 500 ⁇ s.
  • the capacitance has a value of between 5 nF and 5 ⁇ F.
  • the invention also relates to an implementation method implementing such a method comprising periodically repeating the following four phases at least:
  • the supply of the tray is a source of direct current.
  • the implanter comprises means for the duration of the plasma pulse emitted by the pulsed plasma source to be between
  • the capacity has a value of between 5 nF and 5 ⁇ F.
  • An implantation method corresponding to this second embodiment is identical to that defined above in relation to the first embodiment. Generally, these methods provide for a plasma ignition time of between 1 ⁇ s and 10 ms.
  • these processes include, following the extinction phase, a waiting phase.
  • the plasma has a density of 10 8 to 10 10 / cm 3 for a working pressure of 2.10 -4 4 E 5.10 3 mbar.
  • the voltage used to power the tray is between -50 V and -10O kV.
  • the frequency of the plasma pulses is between 1 Hz and 14 KHz.
  • the substrate-holder plate is rotatable about its axis.
  • the substrate-carrying plate and the pulsed plasma source of parallel axes have an adjustable offset.
  • FIG. 1 represents an implanter in vertical schematic section
  • - Figure 2 shows a first tray supply variant
  • - Figure 3 shows a second tray supply variant
  • an ion implanter IMP comprises several elements arranged inside and outside a vacuum enclosure ENV.
  • ENV vacuum enclosure
  • metallic elements such as Iron, Chrome, Nickel or Cobalt.
  • Silicon or silicon carbide coating may also be used.
  • a substrate carrier plate PPS in the form of a horizontal plane disk, movable about its vertical axis AXT 1 receives the substrate SUB to undergo ion implantation.
  • a high-voltage electrical passage PET formed in the lower part of the enclosure EPS electrically connects the vertical axis of the plate AXT, and therefore the substrate holder plate PPS, to an ALT tray feed connected to the mass E.
  • a capacitance C also connected to the ground E is mounted downstream of this ALT tray feed; in other words, this capacitor C is connected between the substrate holder plate PPS and the mass E.
  • Pumping means PP, PS are also arranged at the lower part of the enclosure ENV.
  • a primary pump PP is connected at the input to the enclosure ENV by a pipe provided with a VAk valve, and output in the open air by an exhaust pipe EXG.
  • a secondary pump PS is connected at the input to the enclosure ENV by a pipe provided with a valve VAi, and output at the input of the primary pump PP by a pipe provided with a valve VAj. The pipes are not referenced.
  • the upper part of the enclosure ENV receives the source body CS, cylindrical, vertical axis AXP.
  • This body is quartz. It is externally surrounded, on the one hand by confinement coils BOCi, BOCj, and on the other hand by an external ANT radiofrequency antenna.
  • This antenna is electrically connected, via a BAC tuning box, to a pulsed radiofrequency power supply ALP.
  • the plasmagenic gas inlet ING is coaxial with the vertical axis AXP of the CS source body. This vertical axis AXP encounters the surface of the substrate holder plate PPS on which the substrate to be implanted SUB is placed.
  • pulsed plasma source discharge, ICP (for Inductively Coupled Plasma), Helicon, microwave, arc.
  • ICP Inductively Coupled Plasma
  • Helicon Helicon
  • microwave arc
  • the choice of the source must make it possible to have a plasma potential close to zero. Indeed, the ion acceleration energy is the difference between the plasma potential and the potential of the substrate. The acceleration energy is then controlled only by the voltage applied to the substrate. This point becomes predominant if one wishes very low acceleration energies, lower than 500 eV, which is the case for applications in microelectronics.
  • an RF source formed of a quartz tube is associated with an external radiofrequency antenna ANT and magnetic confinement coils BOCi, BOCj as specified above.
  • the independence between the conditions required for the ignition of the plasma and the polarization voltage of the substrate allows a great versatility of the range of usable energies.
  • the possibility of a very low bias voltage, less than 50 or 100 volts, for example, is an advantage for the manufacture of ultrafine junctions of electronic components.
  • Any plasmagene species can be implanted. It is possible to start from a gaseous precursor such as N 2 , O 2 , H 2 , He, Ar, BF 3 , B 2 H 6 , AsH 3 , PH 3 , SiH 4 , C 2 H 4 , a precursor liquid such as TiCl 4 , H 2 O, or a solid precursor.
  • a gaseous precursor such as N 2 , O 2 , H 2 , He, Ar, BF 3 , B 2 H 6 , AsH 3 , PH 3 , SiH 4 , C 2 H 4
  • a precursor liquid such as TiCl 4 , H 2 O, or a solid precursor.
  • FIG. 2 represents a tray feed module ALTi according to a first embodiment of the invention.
  • the tray supply ALTi has a DC voltage source STC in series with a load impedance Z which is provided to limit the current at the beginning of the load of the capacitor C.
  • This load impedance is often a resistance. It can also be an inductance whose value is a function of this capacitance C and the impedance of the plasma.
  • the parameters commonly used in this mode are:
  • a plasma pulse duration of between 15 ⁇ s and 500 ⁇ s
  • the implantation method implementing the implanter IMP periodically comprises the repetition of the following four or five phases: a charging phase of the capacitor C (the plasma source SPL being extinguished) by the DC voltage source STC at through load impedance Z until a discharge voltage is obtained,
  • a ZEP plasma extension zone consisting of a cloud of ionized gas is formed between the CS source body and the PPS substrate carrier plate.
  • the particles strike the substrate to implant SUB with an energy allowing their penetration inside the substrate SUB.
  • FIG. 3 represents a second preferred embodiment in which the casing of the tray feed ALT 1 connected to the mass E comprises a direct current source CC.
  • a plasma pulse duration of between 15 ⁇ s and 500 ⁇ s
  • the implantation method implementing in this case the implanter IMP is similar to the previous one, except for the absence of the load impedance Z.
  • a current source, or capacity charger is directly used, and the charging is stopped when the desired voltage across the capacitance is reached.
  • the advantage of this second mode is the elimination of the load impedance Z which is a power consumption and fragility element for the machine.
  • the primary pump PP and secondary PS ensure the desired vacuum depression of the enclosure ENV after disposal of a SUB substrate on the PPS substrate holder plate.
  • the bias voltage can range from zero (no limitation for low voltages) to - 100 KV. Beyond this, the risks of arcage are significant.
  • the value of the capacity must be chosen according to what one wishes to achieve.
  • a high capacity is necessary to obtain a substrate voltage as stable as possible during the implantation phase.
  • the stored charges are much higher than the charges consumed during the implantation phase;
  • a low capacity makes it possible to lower the substrate voltage during the implantation phase.
  • the stored charges are lower than the charges consumed during the implantation phase, which helps the extinction of the plasma during work under high substrate tension and high pressure.
  • the average current of implantation depends on the density of the plasma, the polarization voltage, the frequency and the duration of the plasma pulses. For fixed instant conditions, the current can be adjusted by adjusting the repetition period. For 50 KeV implantations, the current setting range will be 1 ⁇ A to 100mA. For implantations at 500 eV, from 1 ⁇ A to 10 mA.
  • the minimum voltage value of the substrate depends on the discharge time, equivalent to the plasma ignition time, and the value of the capacitance.
  • the maximum voltage value of the substrate depends on the load of the capacitor.
  • FIG. 1 An additional characteristic of the implanter shown in FIG. 1 makes it possible to standardize the implantation for a large substrate.
  • the substrate SUB rests on a substrate tray PPS generally discoidal and movable about its vertical axis AXT.
  • the plasma diffusion will be maximum along this axis, and will have a distribution gradient with respect to this axis.
  • the dose implanted in the SUB substrate will have a non-homogeneous distribution.
  • the rotation of the substrate holder plate PPS makes it possible to move the SUB substrate with respect to the axis AXP of the plasma source.
  • the dose implanted in the substrate SUB will have a distribution whose homogeneity will be substantially improved.

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Abstract

La présente invention concerne un implanteur ionique IMP qui comporte une source plasma pulsée SPL, un plateau porte-substrat PPS et une alimentation ALT de ce plateau. Cet implanteur comporte de plus une capacité C reliée directement à la masse E et montée en aval de l'alimentation plateau ALT. L'invention vise également un procédé de mise en oeuvre de l'implanteur.

Description

Implanteur ionique fonctionnant en mode plasma puisé La présente invention concerne un implanteur ionique fonctionnant en mode plasma puisé.
Le domaine de l'invention est celui des implanteurs ioniques en opérant 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 créer un champ électrique capable d'accélérer les ions du plasma vers le substrat. La profondeur de pénétration des ions est déterminée par leur énergie d'accélération. Elle dépend d'une part de la tension appliquée au substrat et d'autre part de la nature respective des ions et du substrat. La concentration d'atomes implantés dépend de la dose qui s'exprime en nombre d'ions par cm2 et de la profondeur d'implantation. Pour des raisons liées à la physique des plasmas, il se crée, en quelques nanosecondes après l'application de la tension, une gaine ionique autour du substrat. La différence de potentiel responsable de l'accélération des ions vers le substrat se retrouve aux bornes de cette gaine.
La croissance de cette gaine en fonction du temps suit l'équation de Child-Langmuir :
Figure imgf000003_0001
où : je : densité de courant, εo : permitivité du vide, e : charge de l'ion,
M : masse de l'ion,
V0 : différence de potentiel au travers de la gaine, et s : épaisseur de la gaine. En stipulant que la densité de courant est égale à la charge traversant la limite de la gaine par unité de temps, ds/dt représente la vitesse de déplacement de cette limite : ds = 2 So-U0 dt " 9 s 2
Expression dans laquelle So vaut :
1 /2
2ε0VΛ
Sn — e.nr étant entendu que U0 = (2eV0 / M) est la vitesse caractéristique de l'ion et que no est la densité du plasma.
L'épaisseur de la gaine est liée principalement à la tension appliquée, à la densité du plasma et à la masse des ions.
L'impédance équivalente du plasma qui conditionne le courant d'implantation est directement proportionnelle au carré de l'épaisseur de gaine. Le courant d'implantation décroît donc très rapidement lorsque la gaine augmente.
Au bout d'un certain laps de temps, il est nécessaire de procéder à une réinitialisation. Ceci s'avère pratiquement indispensable lorsque la gaine atteint les parois de l'enceinte stoppant ainsi le mécanisme d'implantation.
Afin de réinitialiser le système, la quasi-totalité des fabricants d'implanteurs arrête la haute tension sur le substrat tout en maintenant le plasma allumé. Il faut donc disposer d'un générateur puisé qui produit des impulsions de haute tension. Par ailleurs, l'implantation nécessite une énergie d'accélération la plus stable possible et, par conséquent, il convient de satisfaire aux spécifications suivantes :
- temps de montée et de descente inférieurs à 1 μs,
- stabilité de la haute tension lors de l'impulsion, - courant instantané très important, de 1 à 300 A,
- capacité à supporter des arcs dans le plasma.
L'implantation ionique en mode immersion plasma présente un certain nombre d'inconvénients.
Tout d'abord, les alimentations haute tension puisées sont très coûteuses, souvent fragiles et conditionnent directement la qualité de l'implantation réalisée.
Ensuite, la présence continue du plasma dans l'enceinte donne lieu à des effets secondaires indésirables : - génération de particules,
- apport thermique au substrat,
- agression de l'enceinte en générant des risques de contamination métallique des pièces traitées, et - création d'effets de charge, particulièrement gênants dans le cas des applications microélectroniques.
Afin de réduire ces effets secondaires, la société VARIAN a proposé un procédé à plasma puisé dit « PLAD » (pour le vocable anglais PLAsma Doping). Ce procédé est présenté dans deux articles de la revue Surface and Coatings Technology n° 156 (2002) « Proceedings of the Vlth International Workshop on Plasma-Based Ion Implantation (PBII - 2001 ), Grenoble, France, 25-28 June, 2001 » publiée par Elsevier Science B.V. :
- S. B. Felch et al. : "Plasma doping for the fabrication of ultra shallow junctions", pages 229-236 ; - D. Lenoble et al. : "The fabrication of advanced transistors with plasma doping", pages 262-266.
Ce procédé consiste lui aussi à polariser le substrat avec une haute tension puisée. Toutefois, le champ électrique créé entre le substrat et une électrode à la masse située en vis-à-vis permet de puiser le plasma. Les lignes de champ autour du substrat permettent l'accélération et l'implantation des ions.
Dans ce procédé, le plasma puisé permet de s'affranchir d'une partie des effets secondaires précédemment décrits mais les contraintes liés à l'usage d'un générateur d'impulsions haute tension sont toujours présentes. De plus, les caractéristiques du plasma ne peuvent être disjointes de la tension de polarisation. De ce fait, la machine est très peu versatile : elle présente une gamme de tension d'accélération réduite et il est toujours difficile d'implanter des espèces peu plasmagènes.
D'un autre côté, le document US 5 558 718 enseigne un appareil et une méthode d'implantation ionique à source puisée. Cet appareil d'implantation ionique est dépourvu de générateur d'impulsions haute tension. Il fait appel à une source de plasma puisée et à une tension constante appliquée à la cible par une source de puissance. Dans le cas de mise en œuvre de grandes cibles nécessitant des courants importants, un circuit à haute capacité est monté en parallèle avec cette source de puissance. Ce circuit qui comporte une résistance et un condensateur en série présente un certain nombre de limitations. Tout d'abord, il consomme beaucoup d'énergie. Ensuite, il doit être conçu de façon à être adapté au volume de la cible à ioniser. Enfin, la constante de temps de ce circuit parallèle doit être supérieure à la durée de l'impulsion issue du générateur. On citera également le document DE 195 38 903 qui propose un appareil muni d'une source plasma, d'un plateau porte-substrat et d'une alimentation de ce plateau. Cet appareil comporte une résistance disposée entre le plateau et l'alimentation ; une capacité reliée à la masse est connectée au point commun de l'alimentation et de la résistance. Outre les limitations mentionnées en rapport avec le document précédent, la résistance qui est ici prévue pour limiter les courants d'arcage génère une chute de potentiel à ses bornes. Cette chute de potentiel dépend du courant d'implantation et perturbe donc gravement le contrôle de la tension d'accélération qui est appliquée au porte-substrat.
L'invention se propose d'apporter une amélioration à cette situation. Selon l'invention, un implanteur ionique comporte une source plasma puisée, un plateau porte-substrat et une alimentation raccordée directement entre ce plateau porte-substrat et la masse ; de plus, il comporte une capacité connectée entre la masse et ledit plateau porte-substrat.
Selon un premier mode de réalisation, cette alimentation du plateau comporte une source de tension continue montée en série avec une impédance de charge.
Dans ce cas, il comprend des moyens pour que la durée de l'impulsion plasma émise par cette source de plasma puisée soit comprise entre 15 μs et 500 μs. De préférence, l'impédance est une résistance qui est comprise entre
100 et 1000 kΩ.
De même, la capacité a une valeur comprise entre 5 nF et 5 μF.
L'invention vise également un procédé d'implantation mettant en œuvre un tel, procédé comportant de manière périodique la répétition des quatre phases suivantes au moins :
- une phase de charge de la capacité par la source de tension jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge,
- une phase d'allumage du plasma,
- une phase de décharge de la capacité, et - suite à un délai prédéterminé, une phase d'extinction du plasma. Selon un second mode de réalisation, l'alimentation du plateau est une source de courant continu.
Dans ce cas, l'implanteur comprend des moyens pour que la durée de l'impulsion plasma émise par la source de plasma puisée soit comprise entre
Figure imgf000007_0001
Avantageusement, la capacité a une valeur comprise entre 5 nF et 5 μF.
Un procédé d'implantation correspondant à ce deuxième mode de réalisation est identique à celui défini ci-dessus en relation avec le premier mode réalisation. Généralement, ces procédés prévoient une durée d'allumage du plasma comprise entre 1 μs 10 ms.
En outre, ces procédés comportent, suite à la phase d'extinction, une phase d'attente.
Par ailleurs, le plasma présente une densité de 108 à 1010 /cm3 pour une pression de travail de 2.10"4 E 5.10'3 mbar.
Couramment, la tension utilisée pour alimenter le plateau est comprise entre - 50 V et - 10O kV.
Habituellement, la fréquence des impulsions plasma est comprise entre 1 Hz et 14 KHz. Suivant une caractéristique additionnelle, le plateau porte-substrat est mobile en rotation autour de son axe.
De préférence, le plateau porte-substrat et la source plasma puisée d'axes parallèles présentent un désaxage réglable.
La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant aux figures jointes parmi lesquelles :
- la figure 1 représente un implanteur en coupe schématique verticale,
- la figure 2 représente une première variante d'alimentation du plateau, et - la figure 3 représente une seconde variante d'alimentation du plateau.
Les éléments présents sur plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence.
Tel que représenté sur la figure 1 , un implanteur ionique IMP comporte plusieurs éléments agencés à l'intérieur et à l'extérieur d'une enceinte à vide ENV. 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 tels que Fer, Chrome, Nickel ou Cobalt. Un revêtement en silicium ou en carbure de Silicium peut aussi être utilisé.
Un plateau porte substrat PPS, se présentant sous la forme d'un disque à plan horizontal, mobile autour de son axe vertical AXT1 reçoit le substrat SUB devant subir l'implantation ionique.
Un passage électrique haute tension PET ménagé dans la partie inférieure de l'enceinte ENV relie électriquement l'axe vertical du plateau AXT, et donc le plateau porte substrat PPS, à une alimentation-plateau ALT reliée à la masse E. Une capacité C également reliée à la masse E est montée en aval de cette alimentation plateau ALT ; autrement dit, cette capacité C est connectée entre le plateau porte-substrat PPS et la masse E.
Des moyens de pompage PP, PS sont également disposés à la partie inférieure de l'enceinte ENV. Une pompe primaire PP est reliée en entrée à l'enceinte ENV par une conduite munie d'une vanne VAk, et en sortie à l'air libre par une conduite d'échappement EXG. Une pompe secondaire PS est reliée en entrée à l'enceinte ENV par une conduite munie d'une vanne VAi, et en sortie à l'entrée de la pompe primaire PP par une conduite munie d'une vanne VAj. Les conduites ne sont pas référencées.
La partie supérieure de l'enceinte ENV reçoit le corps de source CS, cylindrique, d'axe vertical AXP. Ce corps est en quartz. Il est extérieurement entouré, d'une part par des bobines de confinement BOCi, BOCj, et d'autre part par une antenne radiofréquence ANT extérieure. Cette antenne est reliée électriquement, via une boite d'accord BAC, à une alimentation radiofréquence puisée ALP. L'entrée de gaz plasmagène ING est coaxiale à l'axe vertical AXP du corps de source CS. Cet axe vertical AXP rencontre la surface du plateau porte substrat PPS sur lequel est disposé le substrat à implanter SUB.
Il est possible d'utiliser tout type de source plasma puisée : décharge, ICP (pour « Inductively Coupled Plasma » en anglais) , Helicon, micro-ondes, arc. Ces sources doivent travailler à des niveaux de pression suffisamment faibles pour que le champ électrique créé entre le plateau PPS à haute tension et l'enceinte ENV à la masse n'allume pas un plasma de décharge qui vienne perturber le fonctionnement puisé de la source.
Le choix de la source doit permettre d'avoir un potentiel plasma proche de zéro. En effet, l'énergie d'accélération des ions est la différence entre le potentiel plasma et le potentiel du substrat. L'énergie d'accélération est alors contrôlée uniquement par la tension appliquée au substrat. Ce point devient prédominant si l'on souhaite des énergies d'accélération très faibles, inférieures à 500 eV, ce qui est le cas pour des applications en microélectronique.
Pour des applications nécessitant un faible niveau de contamination métallique, telles la microélectronique encore une fois et le traitement de pièces dans le domaine médical, la source ne doit pas présenter d'élément métallique contaminant en contact avec le plasma. Dans le mode de réalisation présenté, une source RF formée d'un tube en quartz est associée à une antenne radiofréquence extérieure ANT et à des bobines de confinement magnétique BOCi, BOCj comme précisé précédemment. Trois avantages du dispositif de la figure 1 peuvent être mentionnés.
Premièrement, l'indépendance entre les conditions requises pour l'allumage du plasma et la tension de polarisation du substrat permet une grande versatilité de la gamme d'énergies utilisables.
Deuxièmement, la possibilité d'une très faible tension de polarisation, inférieure à 50 ou 100 volts par exemple, constitue un avantage pour la fabrication des jonctions ultrafines de composants électroniques.
Troisièmement, la haute tension puisée disparaît.
N'importe quelle espèce plasmagène peut être implantée. Il est possible de partir d'un précurseur gazeux tel N2, O2, H2, He, Ar, BF3, B2H6, AsH3, PH3, SiH4, C2H4, d'un précurseur liquide tel TiCI4, H2O, ou d'un précurseur solide.
Dans ce dernier cas, il convient d'utiliser un système d'évaporation thermique
(phosphore) ou un d'un système arc (« hollow cathode » en anglais).
La figure 2 représente un module d'alimentation plateau ALTi selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'alimentation plateau ALTi comporte une source de tension continue STC en série avec une impédance de charge Z qui est prévue pour limiter le courant en début de charge de la capacité C. Cette impédance de charge est souvent une résistance. Elle peut également se présenter comme une inductance dont la valeur est fonction de cette capacité C et de l'impédance du plasma. Les paramètres couramment utilisés dans ce mode sont :
- densité plasma comprise entre 108 et 1010/cm3,
- une durée d'impulsion plasma comprise entre 15 μs et 500 μs,
- fréquence de répétition des impulsions comprise entre 1 Hz et 3 kHz,
- pression de travail comprise entre 2.10"4 et 5.10"3 mbar, - gaz employé : N2 ,BF3, O2, H2, PH3, AsH3, ou Ar,
- impédance de charge Z qui est une résistance de 330 kΩ ± 10%, - une capacité C de 15 nF ± 10%,
- tension de polarisation comprise entre - 100 V et - 100 kV.
Le procédé d'implantation mettant en œuvre l'implanteur IMP comporte de manière périodique la répétition des quatre ou cinq phases suivantes : - une phase de charge de la capacité C (la source plasma SPL étant éteinte) par la source de tension continue STC à travers l'impédance de charge Z jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge,
- une phase d'allumage du plasma qui est initiée lorsque la tension du substrat atteint la tension de décharge : l'impédance du plasma n'étant plus infinie, la capacité C se décharge à travers celui-ci,
- une phase de décharge de la capacité C, durant laquelle l'implantation est réalisée et pendant laquelle la gaine s'étend, et
- une phase d'extinction du plasma qui est initiée lorsque la phase précédente a duré le temps souhaité : l'impédance du plasma est à nouveau infinie et la phase de charge peut être réitérée,
- une éventuelle phase d'attente, durant la quelle rien ne se passe, qui permet d'ajuster la période de répétition.
Lors de la phase de décharge, une zone d'extension plasma ZEP constituée d'un nuage de gaz ionisé se forme entre le corps de source CS et le plateau porte substrat PPS. Les particules viennent heurter le substrat à implanter SUB avec une énergie permettant leur pénétration à l'intérieur du substrat SUB.
La figure 3 représente un second mode de réalisation, préférentiel, dans lequel le boîtier de l'alimentation plateau ALTj1 relié à la masse E, comporte une source de courant continu CC.
Les paramètres couramment utilisés dans ce mode sont :
- densité plasma comprise entre 108 et 1010/cm3,
- une durée d'impulsion plasma comprise entre 15 μs et 500 μs,
- fréquence de répétition des impulsions comprise entre 1 Hz et 3 kHz, - pression de travail comprise entre 5.10"4 et 5.10"3 mbar,
- gaz employé : BF3, PH3, AsH3, N2, O2, H2 ou Ar,
- une capacité C de 1 μF,
- tension de polarisation comprise entre - 100 V et - 100 kV.
Le procédé d'implantation mettant dans ce cas en œuvre l'implanteur IMP est analogue au précédent, hormis l'absence de l'impédance de charge Z. Dans ce cas, on utilise directement une source de courant, ou chargeur de capacité, et l'on arrête la charge lorsque la tension souhaitée aux bornes de la capacité est atteinte. L'avantage de ce second mode est la suppression de l'impédance de charge Z qui est un élément de consommation de puissance et de fragilité pour la machine.
A la demande, les pompes primaire PP et secondaire PS assurent la mise en dépression souhaitée de l'enceinte ENV après disposition d'un substrat SUB sur le plateau porte substrat PPS.
Les paramètres suivants sont généralement adoptés dans les deux modes de réalisation :
- durée d'allumage de la source plasma de 1 à 1000 μs,
- densité du plasma de 108 à 1010/cm3,
- pression de travail de 2.10"4 à 5.10"3 mbar,
- tension de polarisation comprise entre - 100 V et - 100 kV, - fréquence des impulsions plasma comprise entre 1 Hz et 14 kHz,
- alimentation RF de fréquence 13,56 MHz ± 10%, puisée.
La tension de polarisation peut aller de zéro (pas de limitation pour les basses tensions) à - 100 KV. Au-delà, les risques d'arcage sont significatifs.
La valeur de la capacité doit être choisie en fonction de ce que l'on souhaite réaliser.
Une forte capacité est nécessaire pour obtenir une tension substrat la plus stable possible pendant la phase d'implantation. Ainsi, les charges stockées sont très supérieures aux charges consommées lors de la phase d'implantation ;
Une faible capacité permet de faire descendre la tension substrat pendant la phase d'implantation. Dans ce cas, les charges stockées sont inférieures aux charges consommées lors de la phase d'implantation, ce qui aide à l'extinction du plasma lors de travaux sous tension substrat élevée et pression élevée. Dans ce cas, il existe un risque d'auto-allumage par décharge entre le plateau et les parois de l'enceinte. Le courant moyen d'implantation dépend de la densité du plasma, de la tension de polarisation, de la fréquence et de la durée des impulsions plasma. Pour des conditions instantanées fixées, le courant peut se régler par ajustement de la période de répétition. Pour des implantations à 50 KeV, la plage de réglage du courant sera de 1μA à 100 mA. Pour des implantations à 500 eV, de 1μA à 10 mA. La valeur minimale de tension du substrat dépend du temps de décharge, équivalent au temps d'allumage plasma, et de la valeur de la capacité. La valeur maximale de tension du substrat dépend de la charge de la capacité. L'utilisation d'une capacité de forte valeur permet d'obtenir une tension d'accélération quasi constante en cours d'impulsion. Dans ce cas, le produit de l'impédance plasma par la capacité est très supérieur à la durée de l'impulsion.
Une caractéristique additionnelle de l'implanteur représentée sur la figure 1 permet d'uniformiser l'implantation pour un substrat de grande taille. Comme évoqué précédemment, le substrat SUB repose sur un plateau porte substrat PPS généralement discoïdal et mobile autour de son axe vertical AXT. Avec ou sans rotation, si l'axe AXP de la source plasma SPL surplombant le substrat SUB est proche de l'axe AXT du plateau PPS, la diffusion plasma sera maximale le long de cet axe, et présentera un gradient de répartition par rapport à cet axe. La dose implantée dans le substrat SUB présentera une répartition non homogène.
Si les deux axes AXT1 AXP présentent un désaxage, la rotation du plateau porte-substrat PPS permet de déplacer le substrat SUB par rapport à l'axe AXP de la source plasma. La dose implantée dans le substrat SUB présentera une répartition dont l'homogénéité sera sensiblement améliorée.
L'efficacité de ce système a été vérifiée sur des tranches de silicium de diamètre 200 mm pour lesquelles la non homogénéité obtenue s'est avérée inférieure à 2,5% pour une implantation de BF3 à 500 eV et 1015/cm2.
L'exemple de réalisation de l'invention présenté ci-dessus a été choisi eu égard à son caractère concret. 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.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Implanteur ionique IMP comportant une source plasma puisée SPL, un plateau porte-substrat PPS et une alimentation ALTi, ALTj raccordée directement entre ce plateau porte-substrat et la masse E, caractérisé en ce qu'il comporte une capacité C connectée entre la masse E et ledit plateau porte-substrat PPS.
2) Implanteur IMP selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite alimentation ALTi comporte une source de tension continue STC montée en série avec une impédance de charge Z.
3) Implanteur IMP selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour que la durée de l'impulsion plasma émise par ladite source de plasma puisée SPL soit comprise entre 15 μs et 500 μs.
4) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite impédance de charge Z est une résistance qui est comprise entre 100 et 1000 kΩ.
5) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite capacité C a une valeur comprise entre 5 nF et 5 μF.
6) Procédé d'implantation mettant en œuvre l'implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte de manière périodique la répétition des quatre phases suivantes au moins :
- une phase de charge de ladite capacité C par ladite source de tension STC jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge,
- une phase d'allumage du plasma,
- une phase de décharge de ladite capacité C, et
- suite à un délai prédéterminé, une phase d'extinction du plasma.
7) Implanteur IMP selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite alimentation plateau ALTj est une source de courant continu SCC. 8) Implanteur IMP selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour que la durée de l'impulsion plasma émise par ladite source de plasma puisée SPL soit comprise entre 15 μs et 500 μs.
9) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite capacité C a une valeur comprise entre 5 nF et 5 μF.
10) Procédé d'implantation mettant en œuvre l'implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte de manière périodique la répétition des quatre phases suivantes au moins :
- une phase de charge de ladite capacité C par ladite source de tension STC jusqu'à l'obtention d'une tension de décharge,
- une phase d'allumage du plasma,
- une phase de décharge de ladite capacité C, et
- suite à un délai prédéterminé, une phase d'extinction du plasma.
11) Procédé d'implantation mettant en oeuvre l'implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 6 ou 10, caractérisé en ce que la durée d'allumage de la source plasma est de 1 μs à 10 ms.
12) Procédé d'implantation selon l'une quelconque des revendications 6 ou 5 10, caractérisé en ce qu'il comporte, suite à ladite phase d'extinction, une phase d'attente.
13) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou 7 à 9, caractérisé en ce que le plasma présente une densité de 108 à 1010 o /cm3 pour une pression de travail de 2.10"4 à 5.10"3 mbar.
14) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou 7 à 9 ou 13, caractérisé en ce que la tension utilisée pour alimenter le plateau PPS est comprise entre - 50 V et - 100 kV. 5 15) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou 7 à 9 ou 13 à 14, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions plasma est comprise entre 1 Hz et 14 KHz.
16) Implanteur IMP selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou 7 à 9 ou 13 à 15, caractérisé en ce que le plateau porte substrat PPS est mobile en rotation autour de son axe AXT.
17) Implanteur IMP selon la revendication 16, caractérisé en ce que le plateau porte substrat PPS d'axe AXT et la source plasma puisée SPL d' axe AXP présentent un désaxage réglable.
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