Travail pratique de technologie microélectronique

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Plateforme salle blanche TP Capa - diode Travail pratique de technologie microélectronique Réalisation d’une capacité MOS et d’une diode intégrées sur Silicium

TP Capa - diode Plateforme salle blanche PROCESS FLOW
Réalisation d’une capacité MOS et d’une Diode SiO2 Si oxydation Silicium ouverture zones actives Oxydation pour réaliser une capacité MOS Dopage pour réaliser une Diode dépôt métal gravure métal – réalisation des électrodes

HCl (37% massique) + H2O2 + H2O [1 ; 1 ; 5]
Plateforme salle blanche TP Capa - diode Les nettoyages chimiques des plaquettes de silicium – étape préliminaire à tout traitement L'objectif est d’obtenir une surface de la plaquette de silicium exempte d’impuretée. Le nettoyage SC1 : Retrait particulaire par gravure. c’est un nettoyage à caractère basique : utilisation d’ammoniaque + eau oxygénée NH3 (Solution NH4OH à 25% massique en NH3) + H2O2 (Solution à 30% massique) + H2O Attaque de l’oxyde chimique du Si constamment régénéré par l’oxydant qui protège le Si de la rugosification par les ions OH- Nettoyage des composés organiques mais avec une efficacité moindre que le CARO (voir plus bas) Formation d’un oxyde de l’ordre de 0.7 nm Le nettoyage SC2 : Retrait des contaminants métalliques ; c’est un nettoyage à caractère acide et le pouvoir complexant des Cl- permet le retrait des métaux: utilisation à 70°C d’acide chlorhydrique + eau oxygénée HCl (37% massique) + H2O2 + H2O [1 ; 1 ; 5] Formation d’un oxyde d’environ 0.6nm; H2O2 permet d’oxyder les métaux présents .

TP Capa - diode Plateforme salle blanche
Les nettoyages chimiques des plaquettes de silicium – étape préliminaire à tout traitement CARO : Retrait de composés organiques; cette solution génère un oxyde d’environ 0.8nm en surface du silicium. Utilisation d’un mélange d’acide sulfurique et d’eau oxygénée, Ce n’est pas une solution aqueuse qui répond au comportant acide-base; elle présente à la fois un comportement acide (permettant le retrait des métaux) et un comportement oxydant (qui va oxyder le Silicium) chimie du CARO : H2SO4 + H2O <-> HSO4- + H3O+ HSO4- + H2O <-> SO4- + H3O+ Chaleur due à la dissociation de l’acide sulfurique concentré qui favorise la décomposition de H2O2 <-> H2O + ½ O2 Et H2SO4 + ½ O2 <-> H2SO5 exothermique HF : Elimine les oxydes; enlève les particules par mécanisme de gravure (under etching); retrait des métaux (sauf métaux nobles) Nettoyage RCA : SC SC2 Retrait particulaire mais retrait métaux mais ajout de ajout de contamination métallique particules RCA complet : CARO + HF + SC1 + SC2 Nettoyage pratiqué en salle blanche: HF – CARO - HF

Réalisation de l’oxyde de champ – Oxydation thermique humide L'objectif est de créer à la surface du silicium un oxyde (SiO2) qui sera utilisé comme isolant diélectrique. L'oxydation du silicium peut être effectuée à haute température (800 à 1100°C) en présence d'un courant gazeux oxydant (oxyde thermique). Une couche de silice SiO2 est obtenue par oxydation dans un four à haute température parcouru par un courant gazeux oxydant. On distingue deux types d'oxydation selon la nature de l'oxydant : l'oxydation sèche est réalisée en présence d'un courant gazeux d'oxygène sec : <Si> + O2 -> <SiO2> l'oxydation humide, beaucoup plus rapide, se caractérise par un courant d'oxygène chargé en vapeur d'eau, soit : <Si> +2 H2O -> <SiO2> + 2 H2 Entrée dans plaques dans un four de traitement thermique Four d’oxydation SiO2 Si 3) plaquette avec oxyde de champ 2) Paquette dans four d’oxydation et croissance de l’oxyde Paquette à oxyder

Ouverture des zones actives dans l’oxyde de champ – PHOTOLIHOGRAPHIE La photolithographie est l'opération qui consiste à transférer les motifs d’un masque dans une couche de résine préalablement étalée sur le matériau à graver. Le masque est généralement constitué d'une plaque de verre comportant une couche de chrome ou de gélatine, elle -même gravé selon le motif que l'on veut reproduire. La résine sera exposée par des UV, via le masque. Les zones de résine qui auront reçu la lumière UV seront modifiées chimiquement et pourront être dissoutes dans un produit appelé « développeur ». La photolithographie va utiliser un masque plusieurs fois afin de répéter le transfert des motifs dans plusieurs plaquettes de silicium. Le matériau recouvert de résine est généralement en couche mince. Il sera ensuite gravé selon que les motifs de résine restés après développement le masquent ou non. Équipement de photolithographie UV Masque résine SiO2 Si Masque 1) Étalement de résine puis séchage ) alignement et exposition UV au travers du masque ) Développement et durcissement

Ouverture des zones actives dans l’oxyde de champ – GRAVURE CHIMIQUE PAR VOIE HUMIDE Les oxydes sont généralement gravés par des bases ou des acides (acide fluorhydrique HF pour la silice). Les propriétés principales de l'attaque chimique sont : 1) la sélectivité très grande qui est liée au choix des agents chimiques permettant d'arrêter l'attaque à l'interface de deux couches différentes, 2) l'isotropie qui conduit à une mauvaise définition du motif à graver, en particulier sur la gravure latérale. Par contre, le profil résultant est favorable pour la continuité du dépôt des couches supérieures. Les procédés de gravure sèche ont été introduits plus récemment pour résoudre les problèmes d'isotropie et de contamination posés par la gravure humide. C'est le passage obligé pour accéder aux technologies de plus en plus denses avec une maîtrise accrue de la qualité. Il s'agit donc de choisir le type de gravure suivant les dimensions des motifs à reproduire. Avec une attaque chimique par voie humide, qui est isotropique, le résultat de la gravure est inacceptable dès que les dimensions des motifs sont du même ordre de grandeur que l'épaisseur des couches attaquées. Opération chimique

Ouverture des zones actives dans l’oxyde de champ – GRAVURE CHIMIQUE PAR VOIE HUMIDE Les problèmes rencontrés lors d'une attaque chimique par voie humide sont : -l'isotropie de l'attaque, - l'utilisation d'agent d'attaque dangereux et - le rinçage correct des échantillons. Le principale avantage est la grande sélectivité de toutes ces solutions ce qui permet de toujours avoir un substrat indemne après l'attaque. Opération de chimie Solution mélange d’attaque pour la gravure de l’oxyde de silicium: Ammonium Fluoride NH4F- 50% Hydrogen Fluoride HF % Water % 1) Paquette avec résine ouverte 2) Paquette avec résine ouverte 3) Paquette après retrait résine et rinçage avant gravure après gravure

DIODE: Dopage de la zone active – diffusion THERMIQUE Le dopage consiste à introduire des impuretés qui se substituent à des atomes de silicium dans le réseau cristallin de façon à le rendre de type p ou n. Deux méthodes sont utilisables pour réaliser ce dopage : la diffusion thermique ou l'implantation ionique. 1) Le processus de diffusion thermique est la combinaison de deux étapes : la première est le prédépôt où le dopant est fourni sous forme gazeuse en quantité contrôlée et suffisante pour que la concentration en surface atteigne la solubilité limite du dopant dans le silicium (1E20 à 1E21 atomes/cm3). Sachant que le prédépôt est réalisé à une température de l'ordre de 900°C pendant environ 30min, le dopant diffuse de la surface vers l’intérieur de la plaquette sur une profondeur de l'ordre de 500nm. 2) la seconde étape est la redistribution ; les plaquettes, soustraites à toute source de dopant, subissent un traitement thermique destiné à faire pénétrer plus profondément les impuretés introduites au cours de la première étape. La nouvelle distribution des impuretés obéit à la loi de diffusion à source d'impuretés limitée (et constante) qui est une gaussienne. Equipement de diffusion phosphore Paquette avec zone active à doper ) Paquette dans le four pour dopage ) plaquette dopée, après retrait et recuit de diffusion du verre de phosphore

DIODE: Dopage de la zone active – diffusion THERMIQUE Le dépôt de verre de phosphore s’effectue sur toutes les surfaces de la plaquette (face avant, face arrière, bord), Le dopage sera donc possible aussi bien en face avant qu’en face arrière lorsque le silicium est à nu. Pour des tests électriques ou la plaquette sera polarisée sur tout le volume (prise de contact en face avant et en face arrière) il faudra donc veiller à enlever la partie dopée. Après avoir chimiquement retiré le verre de phosphore (en utilisant une solution HF), on utilisera une machine de gravure ionique pour bombarder et graver la face arrière sur quelques centaines de nanomètres afin de graver la partie « dopée » (voir la fin de ce document). Equipement de diffusion phosphore 1) Paquette avec zone active à doper ) Paquette dans le four pour dopage ) plaquette après retrait et recuit de diffusion chimique du verre de phosphore

DIODE: Dopage de la zone ouverte – implantation ionique L'implantation ionique tend à remplacer systématiquement la diffusion par prédépôt. Elle permet d'introduire des impuretés (dopants) dans un substrat grâce à l'énergie cinétique qui leur est fournie dans un accélérateur (implanteur). L'avantage principal est le contrôle précis du nombre d'ions implantés par un système extérieur au semi-conducteur et non par les propriétés physiques du substrat, ce qui permet un meilleur contrôle de la précision des profils d'impuretés. L'inconvénient majeur est que ce procédé créé des dislocations dans le réseau cristallin sous l'impact des particules ioniques énergétiques. Cet endommagement est guéri par recuit thermique à basse température. Implanteur ionique L'ensemble des avantages de cette technique ajouté à son caractère anisotropique font qu'elle est préférée à la diffusion thermique notamment pour les circuits à haute densité d'intégration. Après toute étape d'implantation, il est faut opérer un recuit thermique qui va restaurer la structure cristalline du silicium et permettre aux impuretés implantées de s'introduire en position interstitielle et, donc, de devenir électriquement actives. Cette étape de diffusion thermique (800 à 1100°C) des dopants conduit à un étalement du profil gaussien obtenu par implantation. La quantité totale d'atomes d'impureté reste constante et la nouvelle distribution est alors elle aussi gaussienne. La position du pic de concentration reste. 4) Retrait oxyde mince 3) Recuit d’activation Paquette avec zone active à doper 2) faisceau d’ions qui balaie la plaquette

<Si> + O2 --> <SiO2>
Plateforme salle blanche TP Capa - diode CAPACITE MOS : réalisation du diélectrique - oxydation thermique sèche L'objectif est de créer à la surface du silicium un oxyde (SiO2) qui sera utilisé comme isolant diélectrique. Cet oxyde doit présenter de très bonnes propriétés de permittivité diélectrique et de tenue en tension. Qualité de l'interface Si/SiO2 : La tension de claquage de SiO2 est de l'ordre de 12MV/cm. Toutefois, cette valeur n'est atteinte que si l'interface Si/SiO2 est parfaite, ce qui suppose une bonne qualité "mécanique" et électrique du SiO2 formé , fortement dépendant de la procédure de nettoyage du substrat avant l'oxydation. Une couche de silice SiO2 est obtenue par oxydation dans un four à haute température parcouru par un courant gazeux oxydant. l'oxydation sèche est réalisée en présence d'un courant gazeux d'oxygène sec : <Si> + O2 --> <SiO2> L’oxydation du silicium dans un four s’effectuant sur toutes les surfaces « à nu », la face arrière sera aussi oxydée. Pour des tests électriques ou la plaquette sera polarisée sur tout le volume (prise de contact en face avant et en face arrière) il faudra donc veiller à enlever éventuellement l’oxyde en face arrière. On utilisera une machine de gravure ionique pour bombarder et graver la face arrière sur quelques centaines de nanomètres afin de graver la partie « oxydée » (voir la fin de ce document). four d’oxydation SiO2 500nm Si 1) Paquette avec zone active ouverte ) Paquette dans four d’oxydation ) plaquette avec oxyde mince

Réalisation des contacts – dépôt métal PVD L'une des dernières étapes intervenant dans le procédé de fabrication d'un circuit intégré est la métallisation. Elle consiste à déposer sur la surface de la plaquette une couche conductrice qui sera ensuite gravée pour définir les contacts (qui permettent de relier le circuit intégré au monde extérieur) et les interconnexions (qui relient certains composants entre eux). La métallisation intervenant en fin de fabrication, la surface de la plaquette est très irrégulière (en raison de toutes les étapes précédentes). Le dépôt métallique, pour recouvrir parfaitement toute la surface, doit donc être relativement épais, de l'ordre de l’épaisseur de l’oxyde de champ. Equipement de pulvérisation cathodique Paquette à métalliser

Réalisation des contacts – dépôt aluminium pvd Le métal utilisé doit satisfaire à un grand nombre de conditions, on peut citer : 1 - l'ohmicité des contacts avec le silicium quel que soit son dopage, 2 - l'adhésion de la couche de métal sur le silicium ou sur la silice, même après gravure, 3 - le métal doit pouvoir être facilement gravé par les procédés courants de lithographie, 4 - les irrégularités du circuit doivent pouvoir être recouvertes sans discontinuité, 5 – le coût de revient par rapport à la conductivité électrique. Le métal qui offre le meilleur compromis pour toutes ces exigences est l'aluminium (ρ=2,7µΩ.cm à 300K). Le dépôt de l'aluminium sur les plaquettes de silicium peut se faire soit par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique. Equipement de pulvérisation cathodique 3) Dépôt métal effectué Paquette à métalliser Substrat + dépôt 2) Chargement dans la PVD (pulvérisation cathodique )

Électrode supérieure – PHOTOLIHOGRAPHIE La photolithographie est l'opération qui consiste à graver selon un certain motif une couche mince d'un matériau donné. Le motif à graver se trouve initialement sur un support appelé masque. Il s'agit d'une plaque de verre comportant une couche de chrome ou de gélatine sur laquelle a été gravée le motif que l'on veut reproduire. L'élaboration du circuit MOSTEC nécessite au minimum 3 niveaux de photolithographie (masquage), permettant de définir successivement les zones utiles (actives), les régions en silicium polycristallin et celles à doper, les prises de contact (facultatif) et enfin les interconnexions. Le procédé de photolithographie se déroule selon les séquences suivantes : Équipement de photolithographie UV Masque 1) Étalement de résine puis séchage ) alignement et exposition au travers du masque ) Développement et durcissement

Électrode supérieure – gravure DU mEtal 1) Plaque avec résine révélée ) acide : gravure de la couche métallique 3) remover: retrait résine Mélange Al etch Acide phosphorique H3PO4 (73% en poids) Acide nitrique HNO3 (3,2 % en poids) Acide acétique CH3COOH (1,3 – 5 % en poids) Dispositif final: Selon que la plaquette aura été oxydée ou dopée, le dispositif final sera une capacité MOS intégrée sur silicium ou une diode

Plaquette retournée (dispositif en dessous)
Plateforme salle blanche Retrait de la face arrière du silicium dopé ou de l’oxyde – GRAVURE Réactive ionique La technique de gravure par plasma utilise une décharge luminescente établie à faible pression (1E-2 à 1E-1 torr) pour générer des espèces chimiquement actives à partir d'un gaz; ces espèces se combinent avec la couche à graver pour former des composés volatils évacués par le système de pompage. Le principe de gravure ionique consiste à utiliser des faisceaux d'ions dirigés vers la cible à traiter. Si les ions possèdent une énergie importante et sont chimiquement inactifs (par exemple l'argon), alors il y a réaction mécanique (usinage ionique). La gravure résultante est verticale (anisotropie importante) mais sans sélectivité. En outre, les déchets de gravure peuvent retomber sur la cible. Equipement de gravure ICP-RIE La combinaison des systèmes à plasma avec la gravure ionique a conduit à la gravure ionique réactive (RIE Reactiv Ion Etching). De cette manière, on associe le mécanisme chimique (plasma) à l'origine de la sélectivité vis-à-vis de la couche à graver et le mécanisme physique (bombardement ionique) induisant l'anisotropie. La gravure ionique réactive s'opère dans un réacteur à plasma à électrodes parallèles dont l'une est reliée électriquement au substrat, ce qui augmente le nombre d'ions à direction normale à la surface, entraînant donc une anisotropie élevée sans perte notable de la sélectivité. Plaquette retournée (dispositif en dessous) 1) Paquette avec Si Poly ) gravure de la plaquette avec motif en résine ) Plaquette amincie en FAR (dispositif en dessous) FAR gravée sur qqs centaines de nm

Plateforme salle blanche DIODE: Retrait du silicium dopé en face arrière – GRAVURE Réactive ionique Mécanisme de gravure de Si avec SF6 mise en place du plasma en appliquant une décharge RF au gaz SF6 présent dans la chambre de réaction à basse pression dissociation du SF6 dans le plasma : SF6 -> SF F+ adsorption du fluor sur le silicium formation spontanée du produit volatil : Si + 4 F (ads.) -> SiF4 (gaz) La vitesse d'attaque du silicium dans un plasma de SF6 dépend de la taille de la surface à graver. La vitesse de réaction Si + 4 F (ads.) -> SiF4 (gaz) n'est limitée que par le taux de création d'espèces actives neutres F qui doivent être disponibles pour former SiF4. Ce taux étant considéré comme constant pour un plasma donné, l'augmentation de surface de silicium à graver entraîne donc un appauvrissement en espèces actives F et une diminution de la vitesse de réaction, donc de la vitesse de gravure. Equipement de gravure ICP-RIE Plaquette retournée (dispositif en dessous) 1) Paquette avec Si Poly ) gravure de la plaquette avec motif en résine ) Plaquette amincie en FAR (dispositif en dessous) FAR gravée sur qqs centaines de nm

Plateforme salle blanche CAPACITE MOS: Retrait de l’oxyde mince en face arrière – GRAVURE Réactive ionique La technique de gravure par plasma utilisant une décharge luminescente établie à faible pression (10-2 à 1 torr) pour générer des espèces chimiquement actives à partir d'un gaz permet aussi de graver la couche d’oxyde mince. Les espèces se combinent avec la couche à graver pour former des composés volatils évacués par le système de pompage. On utilisera le même gaz que pour graver du silicium, à savoir du SF6. Le bombardement ionique sera suffisant pour usiner et graver la face arrière de la plaquette. Une gravure sélective et anisotrope du SiO2 (sur Si) se fait généralement avec un gaz fluorocarbonné (CHF3, CF4), Equipement de gravure ICP-RIE Plaquette retournée (dispositif en dessous) SiO2 1) Paquette avec Si Poly ) gravure de la plaquette avec motif en résine ) oxyde retiré de la FAR (dispositif en dessous)

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