Qlq Defenition de Abarkan Cours

A. DUMETZ Tours 05Excellence in Power Processing , Protection and TMIPAD

Le mot vient de "transfer resistor", le transistor a été inventé aux Bell Laboratories en 1948 par Walter Brattain -John Bardeen et William Shockley.

(tout les trois prix Nobel de physique en 1956, pour cettedécouverte)

La mise au point et l'utilisation des semi-conducteurs est liée à la découverte du premier transistor :

Plan de la présentation :

-Fabrication d'un composant-Silicium-Sciage-Rectification-Polissage-Épitaxie-Oxydation-Diffusion-Implantation ionique-Photogravure-CVD-Métallisation-EWS-Évolution future

DécoupeAssemblage

Mise en boîtiersTri test

MarquageCtrl qualité final

TIRAGESCIAGE

RECTIFICATIONPOLISSAGE

OxydationPhotolithographieAttaque chimiqueFour diffusion ou

Implantation d’ionsMétallisation

Test sous pointes

MATERIAUX

FRONT-END

BACK-END

OBTENTION PLAQUETTES

DETERMINATIONDES

CARACTERISTIQUESDES PUCES

OBTENTION DES PUCES

HABILLAGEDES PUCES

CONTROLEPRODUIT

FABRICATION

ASSEMBLAGE

TRI & FINITION

Silicium

FABRICATION D'UN SEMI- CONDUCTEUR

Différentes étapes pour l'élaboration d'un composant

Wafer Preparationincludes crystalgrowing, rounding,slicing and polishing.

Wafer Fabricationincludes cleaning,layering, patterning,etching and doping.

Assembly and Packaging:The wafer is cutalong scribe linesto separate each die.

Metal connectionsare made and thechip is encapsulated.

Test/Sort includesprobing, testing andsorting of each die onthe wafer.

Final Test ensures ICpasses electrical andenvironmentaltesting.

Defective die

Scribe line

A single die

Assembly Packaging

Wafers sliced from ingot

Single crystal silicon

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SEMI-CONDUCTEUR A TOURSTIRAGE Des morceaux de silicium POLYCRISTALLIN

ultra-purs sont transformés en lingot monocristallin. Cette activité représente 20 % du silicium utilisé à Tours.

SCIAGE Le lingotestdécoupé à l'aide d'une scie diamantée. Les plaquettes obtenues peuvent être rectifiées ou polies.

OXYDATION Il faut ensuite rendre la plaquette réactive. Comme il est impossible d'oxyder qu'une seule partie de la plaquette, elle est alors oxydée sur toute la surface. Puis on retire les zones non désirées par un procédé de photogravure.Cette ouverture de zones dans l'oxyde permettra la diffusion (dopage) future des plaquettes.

RESINAGE La plaquette est ensuite recouverte de résine photosensible

INSOLATION Un masque est posé sur la plaquette, afin d'en cacher certaines parties. Seules les parties non recouvertes par le masque vont réagir aux rayons UV.

DEVELOPPEMENT L'utilisation de résine négative fait en sorte que seules les parties exposées aux UV (c'est-à-dire non masquées) résistent au développement

GRAVURE OU ATTAQUE CHIMIQUE

Une gravure esteffectuée dans l'oxyde pourobtenir son ouverture, ce qui permettra la diffusion uniquement dans les zones choisies

RETRAIT RESINE A présent, la résine restante étant devenue inutile, elle est totalement retirée.

DIFFUSION La diffusion sert à modifier les caractéristiques électriques du silicium. On procède en premier lieu à unpré-dépôtdes impuretés (oudopants) dans un implanteur ionique ou dans un four à diffusion. Ensuite les impuretés pénètrent dans le silicium à une température de 1 180°C (four de diffusion) pendant une durée variant de 2 à 240 heures.Ces étapes sont répétées jusqu'à 20 fois avant la métallisation.

METALLISATION Les différentes zones de la plaquette sont recouvertes d'une couche de métal afin de permettre le contactélectrique entre le siliciumde la future puce et les connexions lors de la mise en boîtier.

TRI SOUS POINTESPROBING appelé aussi "EWS"

Toutes les puces de chaque plaquette sont testées électriquement afin de détecter celles qui ne répondent pas aux caractéristiques souhaitées.

Oxydation

(vue de profil)

résine photosensible

Rayons U.VPR

Puce obtenue après découpage de la plaquette

Opérations Effectuées 4 à 25 fois

Retour

SILICIUM+ Grinding +

polissage

SILICIUM masse atomique : 28gdensité : 2,33

Z (nbre d'électrons) :14 propriétés:

- Corps dur et cassant composé d'atomes arrangés encristaux élémentaires ( en forme de cubes )

- Lorsque tous ces cristaux élémentaires (cubes) sont bien rangés dans toutes les directions ,on a ce que l'on appelle un monocristal ( vs polycristal)

Introduction Physique :

Atome d'Uranium Atome d'Hydrogène92 électrons-92 protons 1 électron-1proton

: 1 bille de 2 cm de diamètre placée en haut de

dimensions : diamètre électron: 4 10-13 cmproton : 3 10-13 cmatome : 1 10-8cm (soit 1 A ou 0.1nm )

similitudela tour Eiffel (représentant l'électron) verrait leproton représenté par une bille de 2cm de diamètre placée à l'aplomb et au pied.

Taille des atomes:B Bore 0.88AGa Gallium 1.26AP Phosphore 1.10AAs Arsenic 1.18ASb Antimoine 1.36AO Oxygène 0.66AAl Aluminium 1.26ASi Silicium 1.17A

Le silicium a une structure"diamant" ou cubique à

Cristal de Silicium.

faces centrées.

atome de Silicium5,43 A°

arrangement périodique d'atomes liés entre eux par

un groupe d'atomes dont l'aménagement se reproduit

a=constante du réseau (5.43A pour le Si)

Cristal.-

partage ou échange d'électrons.

-est la cellule élémentaire ou cristal

définition - °

Plans cristallins:les 3 principaux plans dans cristal cubique

Historiquement c'est le Si (111) qui a été choisi le premier.

Mais pour des problèmes de charges fixes d'interface entre Si et SiO2 (liées à la densité d'atomes de Silicium par cm2: 30%plus élevée en (111) qu'en (100)), les composants de type MOS ont nécessité le choix de Si (100) .

- Le silicium utilisé pour fabriquer les composants est par nécessité de ultra haute pureté: taux d'impuretés

< quelques parties par milliard d'atomes de Si (qq. ppba )

- Les plaquettes sont réalisées avec une orientationparticulière (plusieurs façons d'orienter les cubes)

- Les plaquettes comportent 1 méplat principal qui est uneréférence d'orientation et il peut y avoir des méplats

secondaires pour le repérage du type de Silicium ( dopé N ou P )

Élaboration du Silicium :

TAS DESORGANISEde Silicium Ultra pur( ORIGINE SABLE )

Transformation d'un

NECESSITE

ENSEMBLE ORGANISE avecRESISTIVITE DONNEE par diversdopants:

PHOSPHORE qq. ppbBORE àARSENIC

FUSION Si : ~1420°C

MAITRISE DES GAZ(TRES PURS)

ppm: partie par millionppb: partie par milliard (billion)

100 ppm

Transformation globale

Sciage-polissage-rectif.

Tirage monocristal

Procédé électrochimique (distillation et réduction)

Séquence complète de réalisation de plaquettes de Silicium

Matériau de départ

- Si polycristallin ultra-pur ( EGS)

c'est le matériau le plus pur utilisé courammentsur terre

impuretés: qq. ppba soit < 1 1013 at./cm3

la méthode d'élaboration est un procédé électrochimique à partir du sable

remarque : Cet EGS sert aussi à la fabrication des tubes

et nacelles de four.

Tirage Monocristalbut: avoir du silicium monocristallin avec 1 type

d'orientation bien défini et de très haute pureté.

Réalisation à partir du Si polycristallin ultra-pur(Electronic Grade Polysilicon)appelé " EGS ":

suivant orientation (111) ou (100)

2 techniques: - Czochralski C.Z- Floating Zone F.Z

Méthodes de tirage:

Tirage selon la méthode "Czochralski"

Czochralski"C.Z"

Tirage selon la méthode "Floating zone"

FLOAT ZONE " FZ "

Propriétés des lingots

-FZ: tirage de lingots de haute pureté,mais difficile-CZ: tirage de lingots de silicium de pureté moyenne,mais facile

- Dans CZ :présence de beaucoup d'impuretés non contrôlés: surtout O2 et carbone ceci est du à la nature même du matériel de tirage (four)- la concentration en O2 est comprise entre 5 1017 et 1 1018cm-3

rem: la présence d'O2 peut être néfaste ou faste:-en quantité faible, il y a un effet getter bénéfique-en quantité élevée, il y a un effet de dislocation du réseau cristallin qui peut créer des dysfonctionnement des dispositifs fabriqués .Mais il est très difficile de la contrôler facilement

en général on dope le Si pendant le tirage - Bore pour type P- Phosphore- Arsenic pour type N

À partir de gaz : hydrures (B2H6 –PH3 –AsH3)

Retour

SCIAGE( + tombée de bord )

But : ELABORATION plaquettes unitaires

- MISE A EPAISSEUR (souhaitée)Contrainte : perte de matière ( 50 % )

- MAITRISE du profil du bord desplaquettes

Retour

RECTIFICATION(ou GRINDING)

Améliorationcontraintes et défauts

Rectification ou mise à épaisseur

BUT : - RETRAIT DES CONTRAINTES par Utilisation deMeules diamantées

- UNIFORMATISATION ETAT SURFACEet épaisseur

- CONTROLE RUGOSITE

- ATTAQUE CHIMIQUE ( Relâchement des contraintes )

- RECUIT thermique

Utilisation de HF/HNO3/H3PO4

Traitement de la face arrière

- Utilisation du "Spin etcher" pour attaquer chimiquement la face arrière des plaquettesde Silicium ,avec:

des mélanges d'acide nitrique (HNO3)d'acide fluorhydrique (HF) et d'acideacétique (CH3COOH),qui rendent lasurface plus ou moins polie.

- cette attaque permet en plus un relâchementdes contraintes présentes dans le Silicium

Retour

POLISSAGE

BUT : SUPPRIMER LA RUGOSITEavec la maîtrise des paramètres mécaniques

MOYEN : MECANO - CHIMIQUE(Feutre + poudre d'Alumine + Potasse)

ou gel de silice

Principe du polissage

Déformation des plaquettesdéfinitions:

- épaisseur

- Bow: concavité due au sciage ou traitements

thermiques en µm - mesure sur wafer "libre"

- Warp: si 2 concavités (concave – convexe) mesure

en µm sur wafer "libre"

Le Warp varie comme : 1/(épaisseur des plaquettes)3

c.a.d plus l'épaisseur des plaquettes est fine ,plus le warp peut être important

- ébréchures

ébréchure

Rugosité de la surface des plaquettes:

- elle est caractérisée par Ra ou Rz

Ra: rugosité moyenne sur une distance donnéeRz : étendue max.

Tombée de bord

Moyens de mesure:

-Épaisseur comparateur mécaniqueou équipement capacitif MX203

-BOW MX203

-Warp -Ra (ou Rz) profilomêtre spécifique MAR

-Défauts visuels "épi lampe"

En résumé : étapes pour l'obtention de plaquettes

Retour

CROISSANCE DE SILICIUM PAR VOIE CHIMIQUE.

( SILANE (ou similaire)+ HYDROGENE + DOPANT )

EPAISSEUR ( 3 µm 100 µm ) et RÉSISTIVITÉCONTROLEES ET IMPOSEES PAR LE DISPOSITIF.

EPITAXIE (pour diminuer la résistance sérieen fonctionnement des composants )

C'est un process haute température où une couche cristalline de Si est déposée sur un substrat orienté

La couche déposée est orientée comme le substrat (111) ou (100)

qui sert de germe. SiH2Cl2 + H2

Sources pour faire l'épitaxie- SiCl4 silicon tetrachloride- SiHCl3 trichlorosilane- SiH2Cl2 dichlorosilane- SiH4 silane

Réaction typique:

SiCl4+2H2 Si+ 4 HCl

Néanmoins avec un bon contrôle on arrive à faire

Le pourcentage dans la couche vs le pourcentage

dans le gaz porteur dépend de:

Dopage des couches

- Les dopants utilisés sont les hydrures: - B2H6 diborane

- PH3 phosphine

- AsH3 arsine

- Ils sont dilués entre 10 à 1000 ppm dans l'H2-

- température du substrat

- vitesse de dépôt

- géométrie du réacteur

-des couches dont le dopage varie de

1.1014à 1.1020 cm-3

- Tous les défauts proviennent: - contamination réacteur

- préparation du substrat

- défauts du substrat

d'ou beaucoup de précautions dans la préparation

des substrats avec en général attaque HCl(1 à

5% dans H2) à temp. > 1100°C

Excroissance=couronne d'épitaxie

Résumé: Résultats obtenus et défauts inhérents à l'épitaxie

Contrôle de la résistivitéet de l'épaisseur

Substrat N+

Résistivité,épaisseur

Protubérances=pics d'épitaxieou cristallites facettées

Idéal

Rem: la couronne d'épitaxie est d'autant plus importante si l'épaisseur de couche épi est grande

En résumé,propriétés des plaquettes de Silicium

- Épaisseur- TTV- Rugosité- Bow- Warp- Résistivité- Tombée de bord- Ébréchures- Contraintes- Défauts cristallins- Pics d'épitaxie- Couronne d'épitaxie

THERMIQUETHERMIQUE

OXYDATIONOXYDATION

Retour

( Avec la lumière = phénomènes

SiO2 = VERRE (structure amorphe)c.a.d non cristalline

PROPRIETES : Transparent et coloré en couches minces

- la couleur est fonction de l'épaisseur idem aux bulles de savon

optiques).Isolant électrique

Oxydation

L'OXYDE de SILICIUM : QU'EST – ce que C'EST ?

POURQUOI

Réaliser une " carapace " de la plaquette- Vis à vis de l'intérieur- Vis à vis de l'extérieur

en vue après photogravure,de :Protection des jonctions.

Écran vis à vis des diffusions ou implants

Il ne faut pas de trous; pas de rayures sinon plus de masquage localement.

COMMENT LE FAIT-ON ?

On diffuse de l'oxygène dans le Silicium

Remarque : Consommation de Silicium (environ 0.5 foisl'épaisseur finale de l'oxyde).

GAZ - H2 + O2 (vapeur d'eau )utilisés - O2

- Mélanges à base de O2 (ex : N2/O2 )

TEMPERATURE

950°C 1280°C Attention : point de fusion du Silicium à ~1420°C

Quand du Si est exposé à l'air ambiant il y a réaction avec -

Par traitement haute température en présence de O2

l'oxygène et formation d'une fine couche de SiO2(couche native). On a environ:

- 5 A après 5 mn- 20 A après 15 H- 40 à 50 A après 1 an

-ou H2O on accélère le processus.C'est l' oxydation thermique

- utilisée pour: - protéger les jonctions (oxyde initial)- enlever certains défauts de surface- masquer implant et diffusion "screen oxide"

Rem: les paramètres influents de l'oxydation sont:température-temps-gaz

La consommation de Si lors de l'oxydation est

eSi ~ 0.46 eox

eox = épaisseur SiO2

Consommation de Si pendant oxydation

Matériel

Résistance chauffante

Entrée des gaz

support en carbure de Si

flux gazeux

Four à diffusion ou oxydation

:Micro spectrophotométrie

COMMENT LE MESURE T- ON ?

EPAISSEUR - Couleur Approximatif- Nanospec : principe

optique - Ellipsométre Différence de chemin optique

de la lumière réfléchie

- MEB (mesure de marches)- Microscope optique(mesure de marches)

Contrôles Suivi SPC => Réaction / Anomalie

Nanospec

CONTROLES (contamination particulaire)

Le contrôle de plaques " sans motifs" – plaques témoins – se fait à l'aide du " Surfscan "

Particules

Rappels des propriétés des oxydes

1 – pas de particules(fragilisation-photo-..) - préventives équipements- nettoyage matériel avec carac.SURFSCAN

2 – pas de pollution alcaline (Na-K) - caractérisation par Capa mos-SCA (instabilités,…..)

3 – pas de pollution métallique - mesure de durée de vie( caractéristiques dégradés)

- Pour mieux maîtriser ces pollutions ,utilisation de chlore dans le gaz porteur (DCE)

approximation:diffusion dans SiO2 ~ 1µm/h à 1000°C pour Fe et Cu

objectif contrôles

(Dichloroethylene)

Propriétés des oxydes (suite)

-lorsque l'on oxyde sur des zones dopées les coefficients de diffusion doublent tous les 40°C

ce qui implique de respecter les températures d'oxydation pour éviter entre autre

la remontée du substrat dans l'épitaxie (surtout pour des épitaxies fines ) et de trop modifier les

profils de diffusion réalisés précédemment,donc:

- Donc maîtrise des temps et température

Rappel : ~2µm/h à 1100°C pour Fe et Cu

- Masquage mauvais pour les alcalins surtout Sodium(Na),etHydrogène

- Na crée des charges mobiles dans l'oxyde

instabilités de claquage des jonctions entre autre

Ordre de grandeur des coeff. de diffusion dans SiO2 :

Sodium Na : ~ 1 10- 4 cm²/s

Bore B : ~ 1 10-18 cm²/s

Phosphore P : ~ 5 10-14 cm²/s

Gallium Ga: ~ 1 10-12

Hydrogène H : ~ 1 10- 5 cm²/s

à 1100°Ccm²/s

(~ 0.01µm/h)

(~ 0.1µm/h)

Principe de mesure de la durée de vie :( à Tours on utilise le µPCD SEMILAB WT85)

- basé sur la décroissance de la conductivité du Siaprès illumination par un faisceau laser

- la détection de cette décroissance se fait par mesure de réflectivité (R)d'onde dans la gamme des micro-ondes

il y a donc 2 étapes importantes:- éclairage du Si par un pulse laser de λ = 905nm.les photons émis ont une énergie:

W = hν = hc/λ = 1.37eV > gap du Si ( 1.1eV)d'ou génération de porteurs dans la zone de pénétrationdu laser (~ 25µm),d'ou augmentation de la conductivitéσ du matériau en surface qui se répartit rapidement en volume

- si on mesure la réflectivité R d'une"micro-onde" onmontre que l'on a une variation de R en exp.(-t/τ)

τ étant la durée de vie des électrons

de la tangente à l'origine on en détermine τ (durée de vie)

Remarque : Plus τ est élevé ,meilleure est la durée de vie

Mesureur de durée de vie WT85

Retour

DIFFUSION

POURQUOI ?

- Modifier la structure du Siliciumen créant des jonctions localisées.

JONCTION : JUXTAPOSITION D'UNE ZONE P & N

DOPANT TYPE: P (accepteur d'électrons)Bore, Aluminium, Gallium

N (donneur d'électrons)Phosphore, Arsenic, Sb (Antimoine)

COMMENT :

- Pré-dépôt + recuit thermique ( temp. > 900°C )

- IMPLANTATION IONIQUE ( A froid) : plus précis

(permet comptage des atomes introduits )+ recuit thermique

oxyde de Si

zone dopée P

dopant P:bore,Al,Ga ...ou implant

Prédéposition ou Implantation

O2 ou H2ORedistribution (diffusion) ou Recuit

oxyde de Si

oxyde créé dans la fenêtre

zone dopée P

Four de diffusion ou oxydation

PRINCIPE

On procède à un pré-dépôt des impuretés (dopants)- Dans un four de diffusion (GA2O3, BN, POCl3,

B2O3,AsGa)- Dans un implanteur ionique (Bore, Phosphore, arsenic,

antimoine) à partir d'atomes chargés électriquement et accélérés ( plusieurs KV )

Puis à une diffusion ou recuit des impuretés prédéposées

- A haute Température ( > 1000°C ) - Gaz (N2, Ar,N2/O2,O2,H2O …)

En général on oxyde simultanément ( en vued'une photo ultérieure )

Prédéposition de Bore : C(x,t) = Cs erfc ( x/ 2 )DtD : coefficient de diffusiont : temps

erfc(x) = 1 – erf(x)

erf (x) = 2/ ∫∞

xπ e-u² du

Drive-in : C(x,t ) =CS exp. ( x²/4Dt ) Cs variable

Après Implant de bore: redistribution sous atmosphère neutre

Après Implant de bore: redistribution sous atmosphère oxydante

Après Implant de phosphore: redistribution sous atmosphère oxydante

Précisions sur les références de dopants:

Pour les dopages de type P,on utiliseBore(B) ou Gallium(Ga),ou Aluminium (Al)

remarque: l'azote N2 n'est pas utilisé a cause de sa très grande réactivité chimique avec le Silicium (formation de nitrure ou SixNy )

Pour les dopages de type N,on utilisePhosphore(P) ou Arsenic(As) ou encore Antimoine(Sb)

Précision sur les vitesses de diffusion:

du plus lent au plus rapide:

As – Bore – Phosphore – Gallium - (Sb non utilisé a Tours) -Aluminium

lent rapide

Ordre de grandeur des vitesses de diffusion :

Coefficient D dans SiO2cm²/s

Coefficient D dans Sicm²/s

Bore B 1 10-18 2 10-13

Phosphore P 5 10-14 1 10-12

Arsenic As -------- 1.8 10-14

Gallium Ga 1 10-12 1 10-13

Aluminium Al ------ 2 10-12

Remarque: plus le coefficient de diffusion est petit,plus la vitesse de diffusion est faible

CONTROLE DIFFUSION

- V/I ; R/CARRE

- SPREADING RESISTANCEqui mesure:

- Profondeur jonction- Concentration ( Atomes / cm3 )

de dopant dans le volume du Silicium

- Suivi SPC

- Taux de défauts visuels

- Warp

Prometrics (pour mesure R )

Remarques sur le Warp- principalement le warp intervient dans les processthermiques

- effet cumulatif nécessité wafers épaisses..?- tombée de bord et polissage réduction du warp- thermiquement:entrée –sortie lente,ramping montée-descente lent.

- concentration O2 faible,sinon trop de précipitéset warpage.

IMPLANTATION IONIQUEIMPLANTATION IONIQUE

Retour

Implantation ionique

un bon contrôle des impuretés introduites en

But: introduire un dopant spécifié dans du Si defaçon à avoir:

-quantité et profondeur

- une implantation dans des zones définies- il doit être possible d'activer électriquement

les dopants introduits.( par traitement thermique )- le réseau cristallin du Si doit être conservé.

Principe: C'est un process basse température dans lequel les dopants(B,P,As...)sont ionisés et accélérés à

des énergies suffisamment élevées pour qu'après

impact sur la surface du Si,ils pénètrent à une certaine

profondeur.

L'implant est maintenant préféré/diffusion à cause:du meilleur contrôle,et reproductibilité des quantités de dopants et la profondeur obtenue.

Résumé

Appellation des diverses machines:- médium current implanters: courant ~ 2 mA

- high current implanters: courant jusqu'à ~ 30mA

et énergie de 10 à 160 KeV

- predeposition implanters: fort courant et énergie

faible ~ 10 à 30 KeV

- high energy implanters: jusqu'a ~ qq. MeV

application

Faible dose

Forte dose

Pré dépôt

Grande profondeur> 1µ pour CI

Implanteur ionique

Retour

PHOTO-GRAVUREPHOTO-GRAVURE

BUT : - FAIRE DES OUVERTURES LOCALISEES.DANS L'OXYDE DE SILICIUM.(jusqu'au Si).

Avec le plus souvent ,alignement d'un masquepar rapport à des motifs déjà existants.

Définitions: - dimensions critiques:c'est sur un dispositif,le ou les niveaux, où les dimensionsreproduites doivent être le plus proche possible des dimensions sur le masque, répétitives et reproductibles

- sélectivité:c'est le rapport entre la vitesse d'attaque de la couche à graver versus la vitesse d'attaque de la couche immédiatement en dessous.Par ex.: Si/SiO2

Or/NiNi/Alu

Photomask (Masque Photo)- Plaque transparente de verre ou quartz couverte avec un film

opaque Chrome(en général), représentant le ou les motifs àreproduire.

- Ce masque est réalisé à partir de "pattern generator"pour la création des motifs,fonctionnant soit par méthode optique,ebeam ou laser.

- Le dessin est numérisé par C.A.D(computer aided design) et transféré en langage machine du pattern generator.-la plaque de verre recouverte de Chrome est elle même recouverte d'une couche de résine photosensible.

COMMENT LE FAIT-ON ?

- RÉSINAGE

- INSOLATION

- DEVELOPPEMENT

- GRAVURE

- RETRAIT RESINE

RESINAGE

LA PLAQUETTE EST RECOUVERTE DERESINE PHOTOSENSIBLE ( par centrifugation )

CONTROLE :

MESURE EPAISSEUR: - Nanospec - DEKTAK- TENCOR

mesure demarches

1résine photosensible

support:SiO2-méta...

mise en résine

PHOTOGRAVURE:

INSOLATION

- ON PROCEDE A L'ALIGNEMENT ( Manuel ou Automatique) D'UN MASQUE SUR LA PLAQUETTE, AFIN DE CACHERCERTAINES PARTIES A CELLES-CI.

- SEULES LES PARTIES TRANSPARENTES DU MASQUEVONT FAIRE REAGIR LA RESINE AUX U.V.

CONTROLE : - MESURE de l'énergie lumineuse d'insolation(Cellules photosensibles aux UV)

motif a reproduire

masque photo(verre + motifs en chrome)

résine insolée(négative)

lumière UVInsolation ( résine négative )2-

support:SiO2-méta...résine n'ayant pas réagi avec la lumière

Chrome

Machine d'alignement Canon PLA501

DEVELOPPEMENT

LORSQU'ON UTILISE DE LA RESINE NEGATIVE, SEULESLES PARTIES EXPOSEES AUX U.V (c'est à dire : nonmasquées ) RESISTERONT AU DEVELOPPEMENT.

CONTROLES :

- MESURE DE DEFINITION

- SUR PLAQUETTE TEST AVEC MIRE ( microscope + mesure)

- VERIFICATION DES DEFAUTS

- BON DEVELOPPEMENT ( Microscope )- ALIGNEMENT CENTRAGE ( Microscope )

(Dimensions minimales d'ouverture que le process a pu réaliser)

développement3-ouverture réalisée(dans la résine)

résine photo restante

SiO2 ou méta

Piste de développement SVG

GRAVURE ou ATTAQUE CHIMIQUE

ON FAIT UNE GRAVURE ( Attaque chimique de lacouche d'oxyde ) POUR OBTENIR L'OUVERTURE DANSL'OXYDE SiO2 (jusqu'au Si) QUI PERMETTRA LA DIFFUSION ou L’ IMPLANT UNIQUEMENT DANSLES ZONES CHOISIES.

CONTROLE :

MESURE COUCHE RESIDUELLE OXYDE DANS LES" FENETRES " NANOSPEC.

gravure

résine photo restante

ouverture réalisée

SiO2 ou méta

Si à nu4-

Bac de gravure "humide"

Hotte de Gravure"humide"

Semitool(Rinçage +

séchage)

RETRAIT RESINE

A PRESENT LA RESINE RESTANTE ETANT DEVENUE " NUISIBLE " pour les étapes suivantes,

ON LA RETIRE donc totalement.

COMMENT ?

CARRO's, PLASMA O2 (sur SiO2) et 712D (sur méta) CONTROLE :

VISUEL ( Epilampe ,microscope)

ouverture réaliséeSi à nu

SiO2 ou méta

Stripping(Retrait résine)

GravuresC'est une attaque sélective localisée d'un matériau

- terminologie: - vitesse d'attaque en A/s ou µm/mn

- sélectivité isotropique-anisotropique

( c.a.d Maîtrise dimensionnelle)

- sélectivité /couche sous-jacente et couche protectrice

y est appelé "l'undercutting" qui varie avec la surattaque

x est appelé "etch bias"

Retour

C.V.D (Chemical Vapor Deposition )

- le CVD est défini comme le dépôt d'un film solide non volatil sur un substrat par réaction chimique en phase vapeur (formée des constituants du film )

- une très grande variété de films servant dans lessemi-conducteurs est utilisée:

SiO2 – Si3N4 – SiPoly – PSG – etc.…

Explication sur les oxydes dopés Bore ou Phosphore :

PSG: Phosphosilicateglass,verre dopé phosphore utilisé comme verre de passivationsur les métallisations.Le dopage phosphore a 2 applications:

- piégeage de l'humidité par le phosphore- coefficient de dilatation plus proche du celui du silicium que le SiO2 pur,

pour éviter les fêlures du verre lors des variations de température.Le pourcentage de phosphore est choisi à environ 8% en poids.

BPSG : borophosphosilicateglass,verre dopé Bore + phosphore qui est utilisé comme verre de fluage:c.a.d ramollissement du verre à température de l'ordre de 900°C pour planariser la surface des puces et atténuer le reliefexistant après toutes les gravures SiO2 ou métas.

MOYENS de DÉPOT

- atmosphérique APCVD

- basse pression LPCVD

- basse pression + énergie électrique ajoutéePECVD

APCVD:

remarque: utilisé pour dépôt SiO2,PSG,BPSG à ~350-450°C

PSG :Phosphosilicateglass (verre dopé phosphore)BPSG:Borophosphosilicateglass (verre dopé phosphore et bore) pour le fluage du verre

planarisation du produit

LPCVD:

Remarques:- pression de travail 0.25 à 2 Torrtempératures 550 à 600°C

- utilisé pour déposer SiPoly,Si3N4,SiO2,PSG,BPSG et W

- pompage : pompe primaire + pompe Roots

Inconvénients: faible vitesse de dépôt et relativement hautes températures.

Principe du "Novellus"

PECVD (Plasma enhanced CVD)

- LPCVD + création d'un plasma réactifon peut travailler à temp plus basse que APCVD ou LPCVD.

- principale application:

dépôt SiO2 ou Si3N4 sur métaux

Caractéristiques et applications des réacteurs CVD

AVANTAGES INCONVENIENTS APPICATIONS

-Réacteur simple-Vitesse de dépôt

rapide-Basse température

-Oxydes basse température

dopés ou non dopés

-Mauvaise couverturedes marches

-Contamination particulaire

( Basse température )

-Oxydes haute température(dopés ou non dopés)

-nitrure de Si – SiPoly

-Haute température

-Faible vitesse de dépôt

-Excellente pureté,uniformité, bon passagedes marches

-Grande capacité

-Basse température -Dépôts d'isolants sur

métal-Passivation métallisation

-Faible température

-Dépôts rapides-Bonne couverture

des marches

PECVD-Contamination

particulaire

Résumé des gaz utilisés en CVD:

Commentaires

peut être dopé "in situ"(Si poly dopé Bore)

Mauvaise couverture marchesBonne couverture marches

Source liquide suit le reliefSuit bien le relief

PSGPSGBPSG fluage à basse temp.BPSG fluage à basse temp.

Contrôles associés aux couches déposées par CVD:

-épaisseur et uniformité Nanospec

- % de Phosphore Bioraddans la couche de SiO2 (PSG)

-particules incluses ou Surfscandéposées

Passage des marches:

oxyde ou méta

Mauvais passage de marche

Schémas:dépôt CVD

Coupure de la couche CVDoxyde ou méta

Si ou SiO2

dépôt CVD

Si ou SiO2

Passage de marche correct

Propriétés et caractéristiques des couches de passivation

Les couches organiques peuvent être utilisées pour la passivation finale sur les métallisations (le plus souvent) ou pour les isolations entre diverses couches de métallisation superposées

-Ces couches peuvent être photosensibles (durimide,bcb),c.a.d. que l'onpeut faire directement une insolation à travers un masque et développercomme une résine photosensible

-ou, non photosensibles (polyimide) c.a.d. que l'on doit faire le processcomplet de photogravure (résinage,insolation,développement,gravure,stripping)

-il faut citer aussi la "glassivation" utilisée sur les produits "mesa" qui comprendles étapes de "spin","frittage" et grattage du verre en excès.

# ce verre déposé par spinning est une autre forme de passivation des jonctions.

METALLISATION

Retour

-IL S'AGIT DE RECOUVRIR CERTAINES ZONES DE LA PLAQUETTE D'UNE COUCHE DE METAL.

-AFIN DE REALISER L'AMENÉE DE COURANT ELECTRIQUE ENTRE LES CONTACTS SUR LE SILICIUM DE LA PUCE ET LES CONNEXIONS DU BOITIER .

ou-REALISER LA BARRIERE METALLIQUE POUR LES DIODES SHOTTKY

ou-REALISER LA COUCHE METALLIQUE POUR DOPAGE DES DIODESREDRESSEURS (Diodes rapides): Or ou Platine

Métal

1 - METALLISATION: après dépôt

Métal

2 - METALLISATION: après photo

COMMENT :

- EVAPORATION SOUS VIDE

- PULVERISATION CATHODIQUE

EVAPORATION

-ENCEINTE SOUS VIDE (pour avoir la condensation de métal sur les plaquettes ) vide de 5 10-7 à 1 10-6 Torr-CREUSET DU METAL A DEPOSER amené en

fusion par:- Effet joule- Canon électron

- PLANÉTAIRES- Coupoles recouvertes de plaquettes

Canon à électrons et Effet joule

Canon à électron

chauffage à effet joule

principe:

Canon à électrons multi creusets

PULVERISATION CATHODIQUE

- ENCEINTE SOUS VIDE ( vide de ~ 1 10-7 Torr )

- CREATION D'UN "plasma" {décharge électrique dans un gaz (Argon ) sous vide partiel de 1 10-3 à 5 10-2 Torr}

- BOMBARDEMENT D'UNE PLAQUE DEMETAL A DEPOSER PAR DES IONS(ARGON PUR).

- Principe similaire au billard

Sputterer Éclipse

METAUX utilisés:

- Aluminium; Nickel; Or; Titane; Argent;Platine;Chrome;Cu(Tungstène - Titane 10%).etc.….

CHOIX DES METALLISATIONS- ADHERENCE SUR Si OU SiO2 ( indispensable )

- IMPERATIF DE DIMINUER LA RESISTANCE DE CONTACT électrique ( Dissipation de puissance perdue en chaleur)

Aluminium ou Titane

- IMPERATIFS / ASSEMBLAGE ( B.E )

- Contact brasé impose NICKEL( recouvert d'Or pour protégercontre l'oxydation)

- Contact par fil : Alu ou argent (ball Bonding ou Ultra-Sons)

Choix des métaux :

- Pour les barrières Schottky on utilise: PtNi - Ni - Ti en fonction du Φb choisi.avec des recuits adaptés pour former la barrière

- Pour la réduction de la durée de vie des porteurs minoritaires on utilise :Or ou Ptavec les contraintes propres à l'or et Pt (contaminations de la Fab)

- Pour les métas traditionnelles on utilise :Ti-Ni-Au ,Al-Ni-Au ,Al 6µ ou 10µ,Cr-Ni-Au,ou encore Or pour eutectique FAR

avec des recuits adaptés pour améliorer les contacts électriques sur le Silicium ( Contacts ohmiques )

Rappel :Passage des marches de la méta:

Mauvais passage de marche

Schémas:méta

Coupure de la métaoxyde

Passage de marche correct

Recuit métallisation

Après les opérations de métallisation,il peut y avoir une séquencede recuit suivant des conditions variables

1 – recuit 350° à 450°C but: améliorer le contact électrique entre le métal et Si

par ex.:Alu et Si ou Or et Si

2 – recuit 350° à 650°Cbut: former un alliage entre la couche barrière et le Si

par ex.:Ni – PtNi – Ti – etc.pour la fabrication de la barrière des diodes Schottky

3 – recuit 350° à 950°Cbut : créer une source dopante métallique et effectuer

la diffusion du métalpar ex : Or ou Pt

CONTROLES

MESUREUR DE MARCHE ( DEKTAK; TENCOR)

V / I (mesure des 4 pointes):Prometrics

FISCHERSCOPE ou similaire (QUANX)(mesures par réflexion de rayons X)

Particulaire (Surfscan)

Réflectivité ( Nanospec)

Retour

EWS (Probing ou Tri sous pointes)

- Lorsque toutes les opérations de fab sont finies,avant d'envoyer

les plaquettes à l'assemblage ( Back-end ),on effectue un test

électrique de chaque puce .

- Pendant ce test on effectue un encrage des puces non conformes aux

paramètres électriques souhaitées ,ce qui permet de n'assembler que

les puces "bonnes" (électriquement parlant)

- Les opérations sont effectuées à l'aide de machines automatiques

comportant des séries de pointes venant prendre contact sur chaque

puce. Des générateurs de courant ou tension permettent de réaliser

les diverses mesures en un temps très court (qq.ms).

- A l'EWS il est aussi possible de réaliser des tests paramétriques

qui aident "l'engineering device" à corréler les mesures et rendements

obtenus avec les paramètres physiques et électriques obtenus en fab

et ainsi qualifier ou améliorer les process.

Retour

Évolutions futures de la technologie

L'évolution des technologies ont nécessité l'utilisation de fonctions descomposants électroniques de plus en plus complexes .Les principaux axes ont été ,le calcul et la mémoire , afin :

d'augmenter la capacité de stockage des infos (mémoires)et la capacité de calcul ( microprocesseurs ) et d'automatisation ( microcontrôleurs ). ……….

pour ce faire,la technologie de fabrication a été amenée à miniaturiser au maximum la surface des puces et les dimensions

pour en augmenter leur complexité:ce qui a entraîné tout d'abord des progrès en photolithographieet gravure.(motifs < 90 nm ou 0.09 µm aujourd'hui )

et pour augmenter la productivité ,il a été nécessaire d'augmenter le volume de production: utilisation de plaquettes de + grand diamètre

on arrive actuellement à 300 mm (12").

PHOTOLITOGRAPHIE :

Le but est de réduire les dimensions géométriques sur les masquesutilisés en photolithographie.

Mais comme la reproduction des masques utilise les propriétés photochimiques des résines et la lumière d'insolation,il apparaît des anomalies optiques:

diffraction de la lumière

Les 3 types de machines utilisées pour la photo sont les suivantes:

Phénomènes d'optique- diffraction

Résultats théoriques:

- en contact la résolution limite est donnée par

∆x~1.5( λ.e /2)res

ainsi pour λ ~4000A et 1µm de resist∆x~0.8µm

e res =épaisseur resist

- en proximité la résolution limite est donnée par

∆x~1.5( λ.[s+e /2])res1/2

s =espacement de 10 à 20µm

ainsi on a ∆x~4µm

Si maintenant on utilise des moyens optiques de projection d'image( lentilles ou miroirs ); on arrive aux résultats suivants:

- en projection on a ∆x=0.61 λ/NA ∆x sur la plaquetteainsi ∆x~0.30µm pour λ=2800 Ǻ et NA~0.5

on voit ainsi qu'en jouant sur la λ ou NA on peut atteindre des dimensions très petites

Mais faut-il encore que les résines photo soient adaptées

Il existe 2 types de résines:positives et négatives:

Les résines < 0 sont préférées pour leur qualité, de coût, d'adhérencesur Si ou SiO2,mais leur problèmes est leur faible résolution.

On a donc été amené à utiliser des résines >0 qui beaucoup plus onéreuses mais ont une excellente résolution.

Dans les machines performantes projection ,stepper ou scannerseules sont utilisées les

résines positives

NB: la réalisation des masques a du aussi évoluer:utilisation sur ces machines de "master" réticulés

Il faudra aborder aussi le problème des gravures diverses( oxyde et métallisation )

Schéma de principe d'un stepper à réduction d'image

Stepper photo

Gravures sèches

avec gravure humide il y a nécessairement "undercut"

Pour les nouvelles géométries ~ et << 1µm on veut des gravures anisotropes.(qui respectent la cote)

la façon de réaliser ces gravures est d'utiliser des machines à "plasma" avec des gaz réactifs

Phénomènes apparaissant avec les gravures

chimique sèche

Gravure sèche réactive

Gaz réactif (par ex. SF6)

Générateur RFplasma

Ion accéléré par le champ électrique qui vient éroder et réagir avecla surface à graver en formant des corps volatils

pompageEntrée de gazréactif

Plaquettes de Sià graver

Différents gaz utilisés pour les gravures sèches

Attention à la sélectivité couche à graver/ couche sous jacentela sélectivité / masque de résine photosensible

- SF6 gravure Si3N4- CHF3+ SF6+He gravure SiO2- BCl3+ Cl2 gravure Al- HCl +Cl2 gravure SiPoly- O2 retrait résine

Détection de fin d'attaque:

-systèmes optiques qui stoppent la fin de gravure

-attention à la tenue du masque (résine) lors de la gravuretraitements thermiques plus importants/gravure chimique

Évolution du matériel

- machines à contact

- machines à proximité 10 à 20µm de séparation

- machines à projection 1:1

- projection 10:1 ou 5:1 avec step and repeat (steppers )

- projection 5:1 avec step and scan

Évolution future du matériel

- ebeam exposition λ ass~10 Ǻ pour dimensions<0.01µm

- Xrays exposition λ ass~8 à 20 Ǻ non utilisé en production

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