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1
CMOS Technology: part 2CMOS Technology: part 2CMOS Technology: part 2CMOS Technology: part 2
C. Fenouillet-Beranger
SOI Devices Engineer, CEA/LETI & STMicroelectronics, Crolles
2C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
Plan Plan
IntroductionIntroduction– Voir Cours précédent
Chapitre 1: Les outils technologiques de baseChapitre 1: Les outils technologiques de base– Oxidation– Dépôt– Photo-lithographie– Gravure (sèche et humide)– Implantation ionique– L’epitaxie
Chapitre 2 : Exemple de filiere moderneChapitre 2 : Exemple de filiere moderne– Objectif de l’integration– Enchainement des étapes technologiques
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Ingénieur Filière Ingénieur Filière
Etapes Elementaires(process/ R&D)
Caractérisation
Photo/Litho
Gravure
Dépôts
Implantation
Recuits
Nettoyages
Assemblage
(Physique, Chimie)
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Conception dispositif
Procédés ElementairesDefinition
d’une technologieDesign de produit
Caracterisation
Production
Physique fine
Materiaux (phys/chimie) Phys. Compo
Phys. Compo
Phys. Compo Phys. Compo, Phys. Fond
Electronique, Marketing, Design
Materiau, Gestion
Fabrication
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Chapitre 1 : Les étapes technologiques de baseChapitre 1 : Les étapes technologiques de base
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Les familles de matériaux utilisés en microelectroniqueLes familles de matériaux utilisés en microelectronique
Type de matériauxType de matériaux MatériauxMatériaux Technique d’integrationTechnique d’integrationSemi-conducteurs Si Substrat, epitaxie
SixGe1-x epitaxie
Isolants SiO2 Thermique ou dépôt
Si3N4 (nitrure de Si) Dépôt
Al2O3 (alumine) Dépôt
HfO2 (oxide d’hafnium) Dépôt
Dopants Type n : As, P,Sb Implantation ionique
Type p : B, In Implantation ionique
Neutre : Ge, Xe Implantation ioniqueMétaux Ni, Co Dépôt
W DépôtTiN DépôtTaN DépôtAl DépôtCu Dépôt
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Isolants : SiOIsolants : SiO22 et Si et Si33NN44
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L’Oxydation thermiqueL’Oxydation thermique
Si Si
O2
T=900-1000°C
Si
SiO2
Recuit four Oxyde SiO2 « thermique »En surface
Avantage InconvenientProcédé mature
Qualité de l’interface oxyde-silicium excellente
Couches mince (qqs A)
Température élevée
Consomme du Si
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Les dépôts d’isolantsLes dépôts d’isolants
Réacteur de dépôt CVD pour oxyde (TEOS) ou Nitrure (Si3N4)– Four à basse pression (LPCVD) – Assisté par plasma (PECVD)
Si Si
SiO2 ou Si3N4
Four : 700°CPlasma : 500°C
Avantage InconvenientBasse temperature
Pas de consommation de Si
Interface avec Si
Qualité du matériaux
precurseur
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Exemples de réactions chimiques permettant un dépôtExemples de réactions chimiques permettant un dépôt
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La conformité des dépôtsLa conformité des dépôts
Si
SiO2
Si
SiO2e1
e2
e1
e1
e2
e1
e1 =e2 e1 < > e2
Si3N4 Si3N4
Dépôt conformeDépôt conforme Dépôt non-conformeDépôt non-conforme
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Propriétés des matériauxPropriétés des matériaux
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Le polissage mecano-chimique (CMP)Le polissage mecano-chimique (CMP)
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Polissage Mecano Chimique (CMP)Polissage Mecano Chimique (CMP)
Objectif : aplanir une surface Pad
Slurry
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Polissage Mecano Chimique (CMP)Polissage Mecano Chimique (CMP)
Action mecanique
Reaction chimique Surface plane
• La planarisation depend beaucoup de l’environnement et de la taille des structures a planariser. Dans la pratique le design d’un circuit tient compte de cette necessité.• Cette technique permet d’obtenir un grand nombre de niveau de metalisation en evitant les topographies importantes
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LithographieLithographie
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Du Layout au Silicium : Masques et LithographieDu Layout au Silicium : Masques et Lithographie
Grossièrement, on emploie des lentilles pour manipuler la lumière afin de la focaliser, la réduire et graver le wafer à partir du masque.
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Photo-lithographie (1)Photo-lithographie (1)
Permet de déposer de la resine (polymère) sur une zone de Si afin de la protéger
Si
résine
Si
résine
masque
UV (248nm ou 193nm)
Si
résine
Zone fragile
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Photo-lithographie (2)Photo-lithographie (2)
Si
résine
developpeur
Si
résine
Zone non-protégée
Zone protégée
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Les problèmes liés à la résineLes problèmes liés à la résine Le facteur de forme, ou aspect ratio AR = h/CD
– Si AR > Armax (~100) la resine dévelopée se deforme (effet gravitationnel)
Si
h
CD
Si Si
deformation collapse
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Exemples de lithographieExemples de lithographie
Résine « collapse »Photo correcte
Siliciumresine
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Les limites de la photo-lithographie optique Les limites de la photo-lithographie optique
L’alignement des masques les uns par rapport aux autres (notion d’overlay)
Erreur d’alignement 2 niveaux
Erreur d’alignement3 niveaux
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Lithographie ebeamLithographie ebeam
Lithgraphie par faisceau d’electron
Par rapport à la photolithographie, l'avantage de cette technique est qu'elle permet de repousser les limites de la diffraction de la lumière et de dessiner des motifs avec une résolution pouvant aller jusqu'au nanomètre (typiquement 20nm)
Procédé long par rapport à la projection de masque car écriture des motifs
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Scanner à immersionScanner à immersion
- La lithographie par immersion consiste à placer le wafer dans un bain liquide qui a un indice de réfraction supérieur à 1
- Le liquide agit donc comme une lentille ou une loupe en grossissant l’apparence du wafer. Le principe est le même que pour la lithographie sèche, il s’agit de focaliser la lumière pour accroître la finesse de gravure.
- La photolithographie par immersion permet de plus facilement augmenter la finesse de gravure
- Les machines sont chères
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Extreme UVExtreme UV- La lithographie EUV (Extreme Ultra
Violet) est similaire aux procédés de lithographie classiques actuels
- Rayonnement UV d'une longueur d'ondes de l'ordre de 10 à 15 nanomètres (le rayonnement EUV entre donc dans la gamme des rayons X-mous), en remplaçant les objectifs (ou masques dits « en transmission ») par une série de miroirs de précision (i.e. masques dits « en réflexion »)
- Il permet ainsi une résolution inférieure à 45 nm
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Gravure sèche et humideGravure sèche et humide
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La gravure « sèche »La gravure « sèche » L’objectif est d’enlever un matériau A selectivement par rapport a
un matériau B à l’aide d’un plasma (reaction chimique et physique)
Si
résine
Si
résine
Ions HBr, CF4,O2 ..
V
E
Résidus de gravure (produits des réactions chimiques)
Si
Après gravure Après élimination résine
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ExempleExemple
Si Tranchée
SiSi
Si
SiO2Si3N4
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Gravure chimique & physiqueGravure chimique & physique
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Comment s’arrête une gravure sèche ?Comment s’arrête une gravure sèche ?
Au temps… Au temps et à la selectivité
A la DFA (détection de fin d’attaque)
p = vitesse gravure x tempsSi derive procédé surgravure, sous gravure…adapté pour les gravure longues (t>>10s)
SiSiO2
Si3N4
SiSiO2
Si3N4
Ex : Gravure selective 1000:1 de Si3N4/SiO2Si derive procédé SiO2 se grave 1000 fois moins vite que Si3N4, donc p reste constant
SiSiO2
Si3N4
SiSiO2
Si3N4
Molecules de SiO2
molécules
temps
Critere de fin de gravure
Ex : on arrête la gravure lorsque l’on detecte les premieres molécules de SiO2. Le temps n’intervient plus.
SiSiO2
Si3N4
SiSiO2
Si3N4 p p p
Gravure ionique Gravure ionique Gravure ionique
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Les différents types de gravures sèchesLes différents types de gravures sèches
Anisotrope
SiSiO2
Si3N4
SiSiO2
Si3N4
Gravure ionique
Isotrope
SiSiO2
Si3N4
SiSiO2
Si3N4
Gravure ionique
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Exemples de gravures usuellesExemples de gravures usuelles
Espece à graverEspece à graver DFA possible surDFA possible sur ExempleExemple
Si SiO2 Gravure grille
SiO2 Si3N4, Si Espaceurs
Si3N4 Si Espaceurs
SiGe (%Ge>20%) Si,SiO2 Tunnel enterré (SON)
33C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
Nettoyage et Gravure HumideNettoyage et Gravure Humide
But : préparer une surface pour un dépôt, enlever des particules ou polymeres résiduel ou retirer de manière isotrope un matériau X
Moyen : attaque chimique (liquide)
NomNom FormuleFormule UtilisationUtilisation
CARO (SPM) H2SO4/H2O2 Decontamination orgranique (eg. retrait resine)
SC1 NH4OH/H2O2/H2O Decontamination particulaire (grave Si)
SC2 HCl/H2O2/H2O Decontamination metallique
HF HF 49% + H2O Gravure SiO2
Acide Nitrique HNO3 (69%) Decontamination organique et metaux lourds
HF/H2O2 HF (49%)+H2O2(30%)+eau Empeche la decontamination metallique durant un nettoyage HF
Acid Phosporique H3PO4 Gravure Si3N4
TMAH (CH3)4NOH(3%) + eau + peroxyde
Gravure Si
HF Dilué HF/H2O Gravure et decontamination particulaire
34C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
Exemple : Principe du SC1Exemple : Principe du SC1 Mélange de NH4OH/H2O2/H2O pour un retrait de particules Mecanisme = Oxydation, gravure et repulsion
– Oxydation du Si par H2O2
– Gravure de la couche formée par les ions OH-
– Répulsion électrosatique des particules• Polarisation négative des particules et de la surface par les ions
hydroxydes• Formation d’une couche de chage opposée dans le liquide• Ecran électrostatique
Si
particule
Si
SiO2H2O2
Si
NH4OH
Particule adsorbée Particule adsorbée Gravure SiO2
Si
-------------+ + + + + + + +
- -- -+ +
+
++
H2O2
35C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
Exemples et equipementsExemples et equipements
HF Dilué
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Exemple de combinaison litho-gravure : La gravure grilleExemple de combinaison litho-gravure : La gravure grille
SiSiO2
Poly-Si
But: definir la grille du transitor
Si
DFA
Si
LithoLitho GravureGravure NettoyageNettoyage
CD grille
Si
GravureGravure
Si Si
CD grille
NettoyageNettoyage
Ex. : resine trop fine
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Exemple de gravure GrilleExemple de gravure Grille
Si
Poly-Si
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Implantation Ionique et ActivationImplantation Ionique et Activation
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L’implantation Ionique : PrincipeL’implantation Ionique : Principe
Ex:PH3PH+P+P++..
courant
Spectro de masse
2eme filtrage par fente Contrôle l’energie des ions
MesureIn-situ de ladoseOu deceleration
Evite la contamination energetique et de dose
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L’implantation Ionique : PrincipeL’implantation Ionique : Principe Objectif : definir les zones de dopants utilisée dans le fonctionnement du transistor Moyen : Implantation d’espece de type donneur ou accepteur sous forme d’ions accélérés par
un champs électrique
Profondeur
No
mb
re d
’ato
me
s c
m -
3
Pic d’implantation
surfaceRp
Largeur à mi-hauteurRp
Profondeur
No
mb
re d
’ato
me
s c
m -
3
Pic d’implantation
surfaceRp
Largeur à mi-hauteurRp
41C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
Energie et dose des dopants usuelsEnergie et dose des dopants usuels
Type d’implantationType d’implantation EspèceEspèce Energie (keV)Energie (keV) Dose (at/cm²)Dose (at/cm²) RemarquesRemarques
Caisson n B, In 100-200 1 x1012_ 4 x1012
Caisson p As 100-200 1 x1012_ 4 x1012
Pre-dopage grille n+ P 10-30 2 x1015– 5 x1015
Pre-dopage grille p+ B 3-5 2 x1015– 5 x1015
Extension SD n (LDD)
As 0.5 - 2 0.1 x1015– 5 x1015 Souvent appelé Ultra Low Energy (ULE)
Extension SD p (LDD)
B,BF2 B: 0.5-2 ; BF2: 1 - 4 0.1 x1015– 5 x1015
SD n (HDD) As 10-30 1 x1015– 5 x1015
SD p (HDD) B 2-5 1 x1015– 5 x1015
Note : ordre de grandeur pour un transistor de longeur < 100 nmLDD = Lightly Doped Drain ; HDD = Heavy Doped Drain
42C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
Exemple d’implantations typiquesExemple d’implantations typiques
As 2e15 15keV
P 6e13 20keV
B 3e12 8keV
As 1e15 1keV
X (nm)
Con
cent
rati
on (
at/c
m 3
)
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Pouvoir d’arrêtPouvoir d’arrêtions
resine
Si
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L’activation des dopantsL’activation des dopants
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Les recuits d’activation et de diffusionLes recuits d’activation et de diffusion
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DiffusionDiffusion
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ConclusionConclusion
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Les « Combos » usuels Les « Combos » usuels
Etapes de dépôts et d’oxydation thermique– Nettoyage Dépôt Mesure d’épaisseur (ellipsométrie)
Etapes de photo-lithographie/Gravure– Photo mesure CD/overlay gravure mesure d’épaisseur du
matériaux servant à la DFA nettoyage résine mesure CD
Etapes de gravure seule– Gravure nettoyage résidus mesure CD mesure mat. DFA
Etapes d’implantations– Lithographie implantation retrait resine
Etapes de recuit– Nettoyage Four
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Chapitre 2 : Exemple de Filière ModerneChapitre 2 : Exemple de Filière Moderne
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Matériau de départMatériau de départ
Les tranches proviennent de fournisseurs sélectionnés
Un lingot est constitué à partir de silicium hautement purifié.
Procédé Czochralski: croissance de cristaux monocristallins de grande dimension (plusieurs centimètres).- Principe de solidification dirigée à partir d'un germe monocristallin de petite taille. Matériau fondu à une température juste au-dessus du point de fusion, avec un gradient de température contrôlé.
- Le germe est placé dans une « navette » suspendue au-dessus du liquide par une tige.- - Le liquide se solidifie sur le germe en gardant la même organisation cristalline (épitaxie) au fur et à mesure que l'on tire le germe vers le haut tout en le faisant tourner (à vitesse très lente).
- L'opération se passe sous atmosphère neutre (argon ou azote) pour éviter l'oxydation.
Des coupes transversales du lingot sont pratiquées pour former les tranches.
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ObjectifObjectif
Réaliser l’intégration complète d’une technologie CMOS avec 2 niveaux d’interconnexion Le schéma d’intégration peut être divisée en différents modules technologiques
Isolation : définition des zones actives de Silicium et de l’isolation entre ces zones
Definition des caissons n & p par implantation ionique
Réalisation de la grille du transistor : oxide de grille et electrode de grille, puis gravure grille
Définition des extensions de source et drain par implantation ionique
Définition des espaceurs et des zones de sources et drain
Activation des dopants
Silicuration des sources/drains
Réalisation des contacts
Premier niveau de metallisation
Connexion vers 2ieme niveau de métallisation
Deuxième niveau de metallisation
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Vue Générale du MOSFETs réelVue Générale du MOSFETs réel
source
extensionsource
extensiondrain
drain
canal
Oxyde de grille Tox
Lg
Xext
Isolation latérale
siliciure
LXS/D
2
L2
L
LDiff
contactcontactÉlectrode de grille espaceurs
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1- Module d’Isolation 1- Module d’Isolation (STI, (STI, SShallow hallow TTrench rench IIsolation)solation)
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Silicium
Nettoyage, HF+RCAOxydation thermique (SiO2 « padox »), 7nmDépôt Nitrure (Si3N4), 100nmDépôt TEOS (SiO2) Masque dur, 50nm
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Résine Résine
Photo-lithographie zone active (masque active)
Gravure zone active (profondeur ~ 3000A)Elimination Résine
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Nettoyage (HFRCA)Oxydation thermique des tranchée
Remplissage des tranchées par oxide « HDP »Recuit de densification de l’oxide (permet une meilleur tenue aux nettoyages par la suite)
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Planarisation de l’oxyde avec arrêt sur nitrure
Gravure Humide du nitrure, puis de de l’oxide
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2- Définition des Caissons n & p2- Définition des Caissons n & p
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Photo Caisson n (canal du pMOS) : protège les zones nMOSImplantation profonde P (isolation)Implantation As pour réglage de la tension de seuil du pMOS
Oxydation thermique (9nm) dites « Sacox » : oxyde sacrificiel servant a protéger la surface lors des implantations caissons
Caisson n
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Caisson n
Elimination résinePhoto Caisson p (canal du nMOS) : protège les zones pMOSImplantation profonde B (isolation)Implantation B/In pour réglage de la tension de seuil du nMOS
Caisson nCaisson p
Caisson p
Elimination résineRecuit d’activation des dopants de caisson
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3 - Definition de la Grille du Transistor3 - Definition de la Grille du Transistor
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Caisson nCaisson p
Nettoyage pour préparation de surface (HFRCA)
Caisson nCaisson p
Oxidation thermique (1-2nm) : fabrication de l’oxyde de grille du transistor
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Dépôt de l’electrode de grille (poly-silicium), ~ 100nm
Caisson nCaisson p
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Caisson nCaisson p
Photo-lithographie sur caisson n (pMOS)Pré-dopage grille nMOS : implantation P (règle le travail de sortie du poly-silicium afin d’obtenir une tension de seuil acceptable (<0.5V) pour le nMOS
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Caisson nCaisson p
-Elimination résine-Photo-lithographie sur caisson p (nMOS)-Pré-dopage grille pMOS : implantation B (règle le travail de sortie du poly-silicium afin d’obtenir une tension de seuil acceptable (>-0.5V) pour le pMOS- Elimination résine
Poly n+Poly p+
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Caisson nCaisson p
-Dépôt masque dur TEOS (~ 50nm)- Photo-lithographie de grille (masque Grille), CD<100nm
Poly n+ Poly p+
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Caisson nCaisson p
-gravure anistrope du masque dur et retrait résine
Poly n+ Poly p+
Caisson nCaisson p
Poly n+ Poly p+-Gravure anisotrope du polysilicium avec arrêt sur oxyde de grille
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Caisson nCaisson p
Poly n+ Poly p+
-Retrait masque dur TEOS
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4 – Extentions S/D4 – Extentions S/D
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Caisson nCaisson p
Poly n+ Poly p+
- Photolithographie (masque nLDD, protege la zone pMOS)-Implantation As
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Caisson nCaisson p
Poly n+ Poly p+
-Implantation B tilté (~ 25°) de poches de surdopage : renforce localement le dopage du canal. Efficace sur les petits transistors, négligeable sur les transistors longs.- retrait résine
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Caisson nCaisson p
Poly n+ Poly p+
- Photo pLDD (protège les zones nMOS)- Implantation des extensions pMOS (B)- Implantation As tilté (~ 25°) de poches de surdopage : renforce localement le dopage du canal. Efficace sur les petits transistors, négligeables sur les transistor longs.- retrait résine
Extension n+
Poches p
Extension p+
Poches n
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5 - Espaceurs5 - Espaceurs
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- Dépôt TEOS (~ 10nm)
- Dépôt Nitrure (~ 30nm)
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- Gravure Anisotrope du Nitrure avec arrêt sur SiO2
- Desoxidation HFRCA
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6 – S/D , recuit d’activation et Siliciure6 – S/D , recuit d’activation et Siliciure
77C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
-Photo S/D N (protege pMOS)-Implantation SDN (As,P)
-Photo S/D P (protege nMOS)-Implantation S/D P (B)
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-Recuit d’activation des dopants
-Dépôt Métal pour Siliciuration
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-Réaction de siliciuration, et retrait de metal en excès
-Depôt nitrure de la couche d’arrêt de gravure contact
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7 - Contact et 1er niveau de Metallisation7 - Contact et 1er niveau de Metallisation
81C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
-Depôt d’oxyde PMD (Pre Metal Dielectric)
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-Polissage Mecano-chimique (CMP)
83C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
-Photo contact et gravure contact
84C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
-Depôt barriere TiN
-Depôt W
85C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
-CMP W
86C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
-Depot dielectrique (SiOC)
-Photo Ligne 1
-Gravure 1- Strip Resine
-Dépôt Cuivre
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-CMP Cuivre
88C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011
Tranche de siliciumTranche de silicium
Tranche
Méplat
Chemin de découpe
Une tranche est une coupe fine, généralement ronde, de matériau semi-conducteur qui constitue le premier élément de production pour la fabrication des semi-conducteurs.Une puce, c’est un circuit intégré unique ou un dispositif autonome sur une tranche de semi-conducteur.
puce