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Epitaxie du Silicium

Une couche épitaxiée peut être dopée par l’introduction volontaire de dopants au coursde la croissance. Les dopages obtenus peuvent être très élevés (1019 at/cm3) ou trèsfaibles (1014 at/cm3). C’est précisément le grand intérêt de l’épitaxie de Si de pouvoirfournir des couches de silicium faiblement dopées sur un substrat qui lui peut êtrefortement dopé.Si la couche de Si présente un type de conductivité opposé à celui du substrat, elle peutservir de couche d’isolation grâce à la jonction obtenue Enfin l’épitaxie peut êtreservir de couche d isolation grâce à la jonction obtenue. Enfin, l épitaxie peut êtrelocalisée. Toutes ces caractéristiques font qu’une couche de silicium dopé épitaxiée peutjouer le rôle de zone d’intégration en surface des composants.

En technologie bipolaire, les collecteursdes différents transistors sont réalisésdes différents transistors sont réalisésdans une couche de Si épitaxié de faibledopage, ce qui permet d’obtenir de fortestensions de claquage. Il est égalementpossible d’épitaxier cette couche aprèspossible d épitaxier cette couche aprèsavoir fortement dopé certaines régionsdu substrat, ce qui permet l’obtention dezones enterrées conductrices.


L’épitaxie de Silicium se réalise dans la gamme de températures 900°C – 1200°C, parréduction ou décomposition d’espèces gazeuses entraînées par un gaz vecteur (azote,hydrogène, …). Les composés gazeux utilisés sont le tétrachlorure de Silicium (SiCl4), ledichlorosilane (SiH2Cl2), le trichlorosilane (SiHCl3) et le silane (SiH4). Les réactionschimiques aboutissant la formation de silicium sont :

• des réactions de réduction : SiCl4 (g) + 2H2 (g) Si (s) + 4 HCl (g)

SiHCl3 (g) + H2 (g) Si (s) + 3 HCl (g)

d é ti d dé iti th i• des réactions de décomposition thermique :

SiH2Cl2 (g) Si (s) + 2 HCl (g)

SiH4 (g) Si (s) + 2 H2 (g)


Dépôt CVD à pression atmosphérique

La croissance épitaxiale du silicium se réalise dans un réacteur constitué par une chambrede réaction en quartz, avec à l’intérieur un suscepteur, support de graphite recouvert deSiC l l l b t t t iti é L i j té d l h b d é tiSiC, sur lequel les substrats sont positionnés. Les gaz injectés dans la chambre de réactionréagissent au niveau du suscepteur qui est chauffé par induction HF. Ce type de chauffagelaisse les parois de l’enceinte froides (réacteur à « mur froid »). Pour assurer une bonnehomogénéité des flux gazeux au voisinage du substrat le suscepteur est légèrementhomogénéité des flux gazeux au voisinage du substrat, le suscepteur est légèrementincliné.


Trois géométries de suscepteur sont couramment utilisées, fournissant l’appellation du type de réacteur :

Réacteur vertical (pancake)

Réacteur horizontal

Réacteur cloche (barrel)

Dans ce cas, le chauffagese réalise parrayonnement de lampesi finfrarouges


La procédure de dépôt comprend plusieurs étapes :

1. nettoyage in‐situ de la surface des substrats par circulation d’acide chlorhydriqueanhydre (1200°C – 3 minutes).

2. stabilisation de la température de croissance sous balayage d’hydrogène

3. introduction des gaz réactifs et épitaxie du silicium. La vitesse de croissance estfonction de la température et du débit des gaz (typiquement 1100°C – 1 cm3/s). Elleest de l’ordre de 1 µm/min.

4. refroidissement sous hydrogène, puis sous azote de façon à purger le réacteur pourpouvoir l’ouvrir sans danger.


Le choix des gaz réactifs est lié à la température de dépôt. Celle‐ci doit être suffisammentbasse pour éviter toute diffusion d’impuretés en provenance du substrat. Mais elle doitrester suffisamment élevée pour obtenir une bonne cristallinité des couches Lesrester suffisamment élevée pour obtenir une bonne cristallinité des couches. Lestempératures inférieures à 800°C favorisent ainsi une croissance polycristalline (lepolysilicium fortement dopé est un très bon conducteur électrique).

Gaz réactif v (µm/min) T (°C) Niveau d’impuretés oxydantes (ppm)

SiCl 0 4 1 5 1150 1250 5 10SiCl4 0.4 – 1.5 1150 - 1250 5 - 10

SiHCl3 0.4 – 2.0 1100 - 1200 5 - 10

SiH2Cl2 0.2 – 1.0 1050 - 1120 < 5

SiH4 0.2 – 0.3 950 - 1250 < 2

Les dopants sont transportés par des hydrures : par exemple diborane (B2H6) pour ledopage p et phosphine (PH3), arsine (AsH3) ou encore stibine (SbH3) pour le dopage n.

Epitaxie du SiliciumDépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD)Dépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD)

Dans un réacteur LPCVD, lapression dans l’enceinte estli i é d l 10 100limitée dans la gamme 10 – 100Torr. Le dépôt est réalisé dans unréacteur en quartz chauffé par unf à é i t à t ifour à résistance à trois zones(réacteur à « mur chaud »). Lessubstrats sont maintenusverticalement dans un support enverticalement dans un support enquartz, perpendiculairement àl’écoulement des gaz. Ceux‐cisont introduits à l’entrée desont introduits à l entrée del’enceinte de réaction et pompésen sortie, ce qui a pour effetd’augmenter les cinétiques ded augmenter les cinétiques dediffusion et permet une meilleurehomogénéité des dépôts ainsique la possibilité d’utiliser desq pwafers de grands diamètres.

Epitaxie du SiliciumDépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD)Dépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD)

Les paramètres de dépôt sont les suivants : pression dans l’enceinte 10 à 100 Torr ; débit des gaz 1 à 10 cm3/s ; vitesse de dépôt 0 1 µm/mindes gaz 1 à 10 cm3/s ; vitesse de dépôt 0,1 µm/min

Vitesse de croissance en fonction du rapport SiH4/H2

Résistivité d’une couche dopée au phosphore en fonction du débit de phosphine

En fonction du but recherché, il est possible de réaliser la croissance directement à hautetempérature (1100°C) pour fabriquer un monocristal ou bien déposer du silicium amorpheà basse température (550°C) et cristalliser ensuite la couche formée par recuit thermiqueà basse température (550 C) et cristalliser ensuite la couche formée par recuit thermiqueou laser

Epitaxie du SiliciumDépôt par la UHV CVD (Ultra High Vacuum CVD)Dépôt par la UHV – CVD (Ultra‐High Vacuum CVD)

C’est le même principe que pour l’EJM. Les gaz sont introduits dans une enceintesous ultra‐vide identique à un réacteur EJM. Du fait de l’introduction des gaz lapression dans la chambre en cours de croissance est de l’ordre de 10‐5 Torr.

Les propriétés de croissance sont comparables à celles de l’EJM des semi‐conducteurs III‐V : haute pureté, faible vitesse, ….


Vis‐à‐vis de la technique CVD à pression atmosphérique, les techniques LPCVD et UHV‐CBV offrent comme avantages :CBV offrent comme avantages :

• une très bonne uniformité en épaisseur des dépôts (± 5%)

• un très bon contrôle des profils de jonction

Le principal inconvénient est la plus faible vitesse de croissance des matériaux fabriquéspar LPCVD ou UHV‐CVD comparée à celle de ceux fabriqués par CVD à pression

hé iatmosphérique.

La technique d’épitaxie sera choisie en fonction des besoins et de l’application visésLa technique d épitaxie sera choisie en fonction des besoins et de l application visés(cellule solaire ≠ C‐MOS,…)

Dépôt de couches diélectriques

Les couches diélectriques (ou couches depassivation) possèdent différentesfonctionsfonctions.Cas du circuit intégré :

• couche d’isolation (« verticale », entre2 niveaux conducteurs, « horizontale »,entre 2 composants voisins)• couche de masquage pour procédétechnologique (diffusion implantation detechnologique (diffusion, implantation dedopants, …)• couche de protection• couche active d’un transistor MOS (lespropriétés de la couche diélectrique,permittivité, épaisseur, et celles del’interface diélectrique/Si influentdirectement sur les caractéristiques dudirectement sur les caractéristiques duMOS (Vth, claquage,…)

Les propriétés du diélectrique vont varier en fonction de la technique de fabrication utiliséeLes propriétés du diélectrique vont varier en fonction de la technique de fabrication utilisée


Selon l’utilisation de la couche de passivation, les exigences en termes de qualité et depropriétés sont différentes :propriétés sont différentes :

• bonnes propriétés diélectriques (ρ > 1012 Ωcm); champ de claquage > à 106 V/cm;pas de perte diélectrique dans une couche d’isolation

• densité élevée, bonne vitesse d’attaque pour les couches de masquage

d él é l h d• taux de recouvrement élevé pour les couches de protection

• très bonnes propriétés diélectriques, pas de charge mobile, faible densité d’étatsd’i t f l ili i (NSS 1011 2) i l h ti MOSd’interface avec le silicium (NSS < 1011 cm‐2), ceci pour les couches actives MOS.

Deux matériaux sont principalement utilisés comme couches de passivation du silicium :l l ( )• la silice (SiO2)

• le nitrure de silicium (Si3N4)Mais d’autres matériaux peuvent être utilisés notamment lors de la fabrication de

t di t (TiO YF )composants discrets (TiO2, YF3, …)


On peut classer les différentes techniques de dépôts de matériaux diélectriques en 3grandes catégories :

• les techniques d’oxydation

l t h i CVD d dé ôt hi i h• les techniques CVD de dépôts chimiques en phase vapeur

• les techniques de pulvérisation cathodique (sputtering) et évaporation

Le choix d’une technique donnée est fonction de la température du dépôt. Il prendé l l’ if i é d dé ô l é i i él iégalement en compte l’uniformité du dépôt, les caractéristiques électriques(résistivité) et mécaniques (coefficient de dilatation, dureté, module d’Young) dudépôt, sa morphologie, sa composition chimique, son aptitude à recouvrir lesdiscontinuités surfaciques (taux de recouvrement)discontinuités surfaciques (taux de recouvrement)

Oxydation thermique du silicium

Dans ce cas, la silice est obtenue par oxydation thermique sèche (O2) ou bien humide (O2 + H2O). L’oxydation est réalisée à pression atmosphérique en tube ouvert, à des températures allant de 800°C à 1200°C. Les réactions de base sont les suivantes :

Si (s) + O (g) SiO (s)Si (s) + O2 (g) SiO2 (s)

Si (s) + 2 H2O (g) SiO2 (s) + 2 H2 (g)


Le mécanisme de l’oxydation du silicium estcomplexe. Il y a combinaison desé i d’i t f (diff i àmécanismes d’interface (diffusion à

l’interface oxyde – silicium + réactiond’oxydation) et des mécanismes de diffusiondes espèces oxydantes à travers l’oxydedes espèces oxydantes à travers l oxyde.

Un modèle simple est d’admettre que les atomes de silicium traversent la couche d’oxyde pour s’oxyder à leur tour. Il en résulte que l’interface SiO2 – Si se déplace à l’intérieur du silicium pendant le processus d’oxydation.

La vitesse d’oxydation dépend du type d’oxydation, de la température mais aussi de l’orientation cristalline du substratl orientation cristalline du substrat

Oxydation thermique du siliciumAvantages

L’oxydation thermique permet d’obtenir une silice avec les caractéristiques d’une trèsbonne couche de passivation. Son épaisseur varie en fonction de la durée d’oxydationt d l t é t Ell t é l t f ti d t d’ d ti (l’ d ti

Avantages

et de la température. Elle est également fonction du type d’oxydation (l’oxydationhumide est plus rapide). On obtient typiquement à 1000°C une couche de SiO2 de 1 µmau bout de 100 heures (oxydation sèche) ou de 10 heures (oxydation humide), avec uneplaquette orientée [111]plaquette orientée [111].

Il est possible d’accélérer le processus d’oxydation en opérant sous flux d’oxygène hautepression ou en introduisant des produits chlorés dans le gaz oxygène comme l’acidecholorhydrique ou le trichloroéthylène. Le chlore réagit avec certaines impuretés del’interfaces SiO2 – Si et les rend volatiles (par exemple Na qui est éliminé sous la formeNaCl). Il en résulte une amélioration des propriétés diélectriques de SiO2 (tension declaquage plus élevée) et une réduction de la densité des états d’interface.


Inconvénients

Le principal inconvénient de la technique d’oxydation provient du fait qu’elle se réalise àhaute température, ce qui favorise la diffusion des impuretés déjà introduites dans lesubstrat de Silicium. Elle est inutilisable si, par exemple, des contacts à l’aluminium ontdéjà été déposés (température de l’eutectique Al‐Si : 577°C).

Un autre inconvénient provient du fait que les cinétiques d’oxydation dépendent dudopage du substrat. Les régions fortement dopées (bore ou phosphore) s’oxydent plusvites que les régions faiblement dopées. Il peut en résulter des marches suffisammentimportantes pour provoquer des cassures au niveau des interconnexions métalliquesdéposées par la suite sur l’oxyde.

Dépôt diélectrique par CVD

Les techniques de dépôt chimique en phase vapeur de couches diélectriques seréalisent à plus basse température que l’oxydation thermique.réalisent à plus basse température que l oxydation thermique.

On distingue trois types :

• dépôt par CVD à pression atmosphérique• dépôt par LPCVD• dépôt chimique en phase vapeur assisté plasma (PCVD ou PECVD, pour PlasmaEnhanced CVD)

Les deux premières méthodes ont déjà été décrites précédemment lors de laprésentation de l’épitaxie du silicium. Les appareillages utilisés pour le dépôt decouches diélectriques sont les mêmes, la différence provenant de la nature des gazq , p gréactifs et de la température des dépôts.

Dépôt diélectrique par CVD

Gaz réactifs et températures typiques de dépôt de diélectriques par les techniques CVD, LPCVD et PECVD

La technique PECVD est très utilisée dans la fabrication des CIs car elle permetl’obtention de dépôts à très basse température.p p

Dépôt diélectrique par PECVD

Le dépôt PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) est fondé sur la créationd'espèces ou d'éléments à déposer à basse température grâce à l'apport d'énergie sousforme électromagnétique (source radiofréquence en général). Cette technique évitedonc des passages à haute température qui peut entraîner une redistribution desdopants par exemple. Toutefois, afin d'améliorer la qualité du matériau des couchesdé é il é i d h ff "lé è " l b ( l i ddéposées, il est nécessaire de chauffer "légèrement" les substrats (quelques centaines dedegrés éventuellement).

Industriellement, il est possible de distinguer deux types principaux de réacteur :

‐ réacteur horizontal à platine porte‐substrat,

‐ réacteur à "mur chaud".

Qu’est‐ce qu’un plasma?

Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physiquepour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogieavec le plasma sanguin auquel ce phénomène s’apparente visuellement.

l d ll l l d dDans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction del’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur estconsidéré comme un isolant parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre(él t i itif ) L él t lib t l i itif t ît i(électrons ou ions positifs). Les électrons libres et les ions positifs peuvent apparaître si onsoumet le gaz à un champ électrique de forte intensité, à des températures suffisammentélevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ électromagnétiquetrès intensetrès intense.

Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité devolume soit comparable à celui des molécules neutres le gaz devient alors un fluide trèsvolume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide trèsconducteur qu’on appelle plasma.


A l’origine, un plasma désignait un gaz ionisé globalement neutre, puis cettedéfinition a été étendue aux gaz partiellement ionisés dont le comportementdiffère de celui d’un gaz neutre. Aujourd'hui, on parle de plasma lorsque la

tiè l' b ti t d b d ti l d tmatière que l'on observe contient un grand nombre de particules de naturesdifférentes qui peuvent interagir entre elles et avec l'environnement : c'est une« soupe » d'électrons, cations, anions, molécules et atomes neutres ou excités,clusters agrégats Ces particules sont dans un état très instable et sont doncclusters, agrégats. Ces particules sont dans un état très instable et sont doncextrêmement réactives.

Au sein d’un plasma ces particules excitées retombent dans leur état initial enAu sein d un plasma ces particules excitées retombent dans leur état initial enémettant un rayonnement électromagnétique. La lueur caractéristique du plasmaest due à ce phénomène.


L’énergie nécessaire à la formation d’un plasma peut provenir de différentes sources.On trouve, par exemple, des plasmas dans la nature, sur le soleil ainsi que dans deséclairs ou encore des flammes mais aussi dans des phénomènes atmosphériquestelles que les "aurores boréales".

La technique de génération des plasmas la plus répandue est celle d’une excitationpar un champ électrique. D’après la fréquence appliquée, on fait la différence entrele plasma à courant alternatif (50 Hz), à audio‐ (kHZ), à radio‐fréquence (MHz) ou leplasma à micro‐ondes (GHz).

La technique du plasma est utilisée surtout dans le domaine du traitement dessurfaces et du dépôt de diélectriques.


La différenciation des plasmas entre "le plasma froid" (non thermique) et "le plasma chaud" (thermique) est courante : ( q )

Dans les plasmas thermiques, la pression du gaz est relativement élevée ce qui augmentele nombre des collisions entre les particules (neutres, excitées, non excitées, ionisées) etqui favorise ainsi la transmission de l’énergie. Il en résulte un plasma qui se trouve dans unéquilibre thermodynamique, autrement dit, toutes ces particules ont pratiquement lamême quantité d’énergie (qui est très élevée) ‐ ce qui se traduit par l’appellation "chaud".La température équivalente des particules est extrêmement élevée, de l’ordre de 10 000 K.


La différenciation des plasmas entre "le plasma froid" (non thermique) et "le plasma chaud" (thermique) est courante :plasma chaud (thermique) est courante :

Par contre, des plasmas non thermiques apparaissent sous des pressionsréduites (~1‐104 Pa). Sous ces conditions, le parcours moyen est tellement longqu’il ne peut y avoir de transmission d’énergie importante entre les particulesqu il ne peut y avoir de transmission d énergie importante entre les particulesque par collision d’électrons. Aucun équilibre thermique ne peut se produire.Macroscopiquement, le système est à température ambiante; il contienttoutefois un certain nombre de particules, voire d’électrons, à haute énergiep , , g(température) (jusqu’à 105 °C). Cependant, aucune charge thermique ne seproduit en surface des échantillons présents au sein de ces plasmas, car latempérature macroscopique reste la température ambiante.


Lorsqu’un substrat est placé dans un plasma, il est bombardé en permanence par desélectrons et des ions du plasma. Par suite de la mobilité des électrons, beaucoup plusgrande que celle des ions, un plus grand nombre d’électrons heurte le substrat et il y a unegrande que celle des ions, un plus grand nombre d électrons heurte le substrat et il y a unecréation d’une couche d’électrons absorbés à la surface du substrat.

Le substrat est alors porté à un potentiel négatif vis‐à‐vis de celui du plasma qui estéquipotentiel. (Autrement dit le substrat s’autopolarise négativement). Il y a formationdans cette zone d’un champ électrique qui attire et accélère en direction du substrat lesi itif d l C i i t h t l b t t l l il tions positifs du plasma. Ces ions + viennent heurter le substrat sur lequel ils peuvent serecombiner avec les électrons adsorbés. Mais ils peuvent également :• activer des espèces adsorbées et faciliter les réactions chimiques (PECVD)• arracher les atomes du substrat (cible) qui peuvent aller se déposer ailleurs• arracher les atomes du substrat (cible) qui peuvent aller se déposer ailleurs(pulvérisation)


Un réacteur horizontal PECVD typique comprend une chambre cylindrique en verre ouen aluminium scellée sur deux disques d’aluminium, avec à l’intérieur deux électrodes

llèl d’ l i i L é h ill l é l’él d i fé i iparallèles d’aluminium. Les échantillons sont placés sur l’électrode inférieure qui peutêtre chauffée entre 100 et 400°C à l’aide de fours à résistance. Les gaz sont introduits àla périphérie du système et sont pompés au centre. Leur circulation est radiale.L’application d’une ddp alternative entre les électrodes crée une décharge plasmaL’application d’une ddp alternative entre les électrodes crée une décharge plasmaentretenue. Il en résulte une énergie (énergie plasma) qui, s’ajoutant à l’énergiethermique de la CVD conventionnelle, permet des réactions de dépôt à destempératures nettement plus faiblestempératures nettement plus faibles.

plasma : argon; azotegaz oxydants : N2O; O2gaz de nettoyage : HCL; CF4gaz réactifs : SiH4 (5%) + N2; CF4; NH3; NO2

Réacteur horizontal à platine porte‐substrat


Il existe également des réacteurs à « murs chauds ». Dans ce type de réacteurs, leséchantillons sont chauffés par un four comportant 3 zones de chauffe dans lequel onréalise un plasma à l'aide de la source radiofréquence. Ce deuxième type de réacteur estpréféré industriellement car il évite d'éventuels "redépôts", sur les plaquettes, departicules initialement déposées sur les parois comme dans le cas du premier réacteur.

l i di i é l él d " "De plus en prenant une structure interdigitée pour les électrodes, on peut "processer"simultanément une cinquantaine de substrats

Réacteur plasma à « murs chauds »

Vue de dessus schématique de la structureinterdigitée des électrodes dans le réacteurplasma à murs chauds substrats verticaux. Parcette méthode un grand nombre de substrats

ê i é i l épeut être traité simultanément.


Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physiquepour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogieavec le plasma sanguin auquel ce phénomène s’apparente visuellement.

l d ll l l d dDans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction del’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur estconsidéré comme un isolant parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre(él t i itif ) L él t lib t l i itif t ît i(électrons ou ions positifs). Les électrons libres et les ions positifs peuvent apparaître si onsoumet le gaz à un champ électrique de forte intensité ou à des températuressuffisamment élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champélectromagnétique très intenseélectromagnétique très intense.

Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité devolume soit comparable à celui des molécules neutres le gaz devient alors un fluide trèsvolume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide trèsconducteur qu’on appelle plasma.


A l’origine, un plasma désignait un gaz ionisé globalement neutre, puis cette définition aété étendue aux gaz partiellement ionisés dont le comportement diffère de celui d’un gazneutre. Aujourd'hui, on parle de plasma lorsque la matière que l'on observe contient unj , p p q qgrand nombre de particules de natures différentes qui peuvent interagir entre elles et avecl'environnement : c'est une soupe d'électrons, cations, anions, atomes neutres, clusters,agrégats. Au sein d’un plasma, se trouve donc un grand nombre de molécules excitées quiretombent dans leur état initial en émettant un rayonnement électromagnétique. La lueurcaractéristique du plasma est due à ce phénomène.

L’é i é i à l f i d’ l i d diffé OL’énergie nécessaire à la formation d’un plasma peut provenir de différentes sources. Ontrouve, par exemple, des plasmas dans la nature, sur le soleil ainsi que dans des éclairs ouencore des flammes mais aussi dans des phénomènes atmosphériques telles que les"aurores boréales" La technique de génération des plasmas la plus répandue est celle"aurores boréales". La technique de génération des plasmas la plus répandue est celled’une radiation incidente d’un champ électrique. D’après la fréquence appliquée, on faitla différence entre le plasma à courant alternatif (50 Hz), à audio‐ (kHZ), à radio‐fréquence (MHz) ou le plasma à micro ondes (GHz) La technique du plasma est utiliséefréquence (MHz) ou le plasma à micro‐ondes (GHz) . La technique du plasma est utiliséeégalement dans les tubes néon mais on l’exploite surtout dans le domaine du traitementdes surfaces et du dépôt de diélectriques.


La différenciation des plasmas entre "le plasma froid" (non thermique) et "le plasma chaud" (thermique) est courante :

Dans les plasmas thermiques, la pression du gaz est relativement élevée ce qui augmente le nombre des collisions entre les particules (neutres, excitées, non excitées, ionisées) et qui favorise ainsi la transmission de l’énergie. Il en résulte un plasma qui se trouve dans un équilibre thermodynamique, autrement dit, toutes ces particules ont pratiquement la même grande quantité d’énergie ‐ ce qui se traduit par l’appelation "chaud".

Par contre, des plasmas non thermiques apparaissent sous des pressions réduites (~1‐104

Pa). Sous ces conditions, le parcours moyen est tellement long qu’il ne peut y apparaîtrede transmissions d’énergie importantes entre les particules que par collision d’électronsde transmissions d énergie importantes entre les particules que par collision d électrons,donc aucun équilibre thermique ne peut se produire. Macroscopiquement, le système està température ambiante; il contient toutefois un certain nombre de particules, voired’électrons à haute énergie (température) (jusqu’à 105 °C) Cependant aucune charged électrons, à haute énergie (température) (jusqu à 10 C). Cependant, aucune chargethermique ne se produit en surface des échantillons présents au sein de ces plasmas, car latempérature macroscopique reste la température ambiante.


Lorsqu’un substrat est placé dans un plasma, il est bombardé en permanence parles particules (électrons, molécules, ions, …) du plasma. Par suite de la mobilité desélectrons, beaucoup plus grande que celle des ions, un plus grand nombred’électrons heurte le substrat et il y a une création d’une couche d’électronsadsorbés à la surface du substrat.


Le substrat est alors porté à un potentiel négatif vis‐à‐vis de celui du plasma quiLe substrat est alors porté à un potentiel négatif vis à vis de celui du plasma quiest équipotentiel. Autrement dit le substrat s’auto‐polarise négativement. Il y aformation dans cette zone d’un champ électrique qui attire et accélère endirection du substrat les ions positifs du plasma. Ces ions + viennent heurter lep psubstrat sur lequel ils peuvent se recombiner avec les électrons adsorbés. Mais ilspeuvent également :• activer des espèces adsorbées et faciliter les réactions chimiques (PECVD)• arracher les atomes du substrat (cible) qui peuvent aller se déposer ailleurs(pulvérisation)


Dans les techniques CVD, on peut utiliser l’énergie d’un rayonnement UV ou biencelle d’un faisceau laser, d’un faisceau d’ions ou d’un faisceau d’électrons. Cesdernières méthodes permettent le dépôt localisé d’un diélectrique l’énergiedernières méthodes permettent le dépôt localisé d un diélectrique, l énergiesupplémentaire amenée par le faisceau de photons ou de particules provoquant ladécomposition des gaz dans la chambre de réaction par un processus de pyrolyse oude photolysede photolyse.

Un intérêt de ces techniques de dépôt CVDassisté est d’augmenter la vitesse dedécomposition. Ainsi, il est possibled’obtenir du SiO2 à la vitesse de 150 Ǻ/minà la température aussi basse que 50°C parla technique CVD assisté UV.

Schéma de principe des techniques de dépôt par (a) UV‐CVD et (b) par CVD assisté par faisceau d’électrons

Pulvérisation cathodique

La pulvérisation cathodique ne sert pas exclusivement à la passivation par dépôtdiélectrique, mais aussi à la réalisation de contacts métalliques ainsi qu’à la gravure sèche.Cette méthode permet de déposer tous les matériaux (quelle que soit leur pression deCette méthode permet de déposer tous les matériaux (quelle que soit leur pression devapeur) avec une très bonne adhérence.

Le dépôt par pulvérisation cathodique se réalise dans une enceinte à vide contenant unecathode (ou cible) et une anode qui supporte les plaquettes de silicium (ou autreséchantillons) à traiteréchantillons) à traiter.

Pulvérisation cathodique

La cible est constituée par un disque du matériau à déposer. On introduit dans l’enceinteun gaz rare (Argon) et on applique une excitation haute fréquence sur la cible. On crée ainsi

l i i d l ibl C ll i l b b dé dun plasma au voisinage de la cible. Celle‐ci est alors bombardée en permanence par desélectrons et des ions du plasma. Par suite, la cible s’autopolarise négativement (voirprésentation du plasma), ce qui a pour effet d’attirer et d’accélérer les ions argon qui vontarracher les atomes de le cible ce ci enant ens ite se déposer s r les s bstrats dearracher les atomes de le cible, ceux‐ci venant ensuite se déposer sur les substrats desilicium positionnés en regard.

L ’ dé i bt i dé ôt ét lliLorsqu’on désire obtenir un dépôt métallique,la cible est constituée par le métal à déposer.

Lorsqu’on désire déposer une couche deLorsqu on désire déposer une couche desilice, la cible est un disque de SiO2.

…

Bâti de dépôt par pulvérisation cathodique

Dépôts par évaporation

Evaporation thermiqueLa technique d'évaporation thermique est très simple et consiste simplement à chaufferpar effet Joule un matériau qui, vaporisé, va se déposer sur les substrats. La charge dumatériau à déposer est placée dans un creuset (en tungstène ou graphite). Afind'améliorer l'homogénéité des couches déposées (très faible variations d'épaisseur), ondéplace en permanence les substrats. Dans le cas du bâti ci‐dessous, le porte substrat esttournant.

Bâti de dépôt par évaporation thermiqueBâti de dépôt par évaporation thermique


Evaporation thermique

Afin de contrôler l'épaisseur des couchesdéposées, on utilise une balance à quartz.Le principe de celle‐ci consiste à détecterLe principe de celle ci consiste à détecterla dérive de la fréquence d'oscillation duquartz par la modification de sa masselors de la croissance de la couchedéposée (le dépôt s'effectue aussi sur laquartz). C'est donc une mesure électriquequ'il faut bien évidemment étalonner. Enmesurant le décalage de fréquence enfonction du temps, on peut aussidéterminer la vitesse de croissance des

Bâti de dépôt par évaporation thermique

couches déposées.


La technique du canon à électron consiste à apporter suffisamment d'énergie (trèsé ) é éf à l' d d' f d'él f l é

Canon à électrons

concentrée) sur un matériau souvent réfractaire à l'aide d'un faisceau d'électrons focalisé.Les électrons sont créés par effet thermoélectrique (chauffage d'un filament) et leurtrajectoire est dirigée grâce à l'action conjuguée d'une différence de potentiel électrique etd' h éti C d i i l t j t i d f i f li l i id'un champ magnétique. Ce dernier incurve la trajectoire du faisceau pour focaliser celui‐cisur le matériau à évaporer. Dans ce cas‐là aussi, le matériau à déposer se trouve dans descreusets résistants à la chaleur.

Dans ce cas là aussi, il est souhaitable quele substrat soit en rotation pourle substrat soit en rotation pourhomogénéiser les épaisseurs déposées.Ces épaisseurs sont également la plupartdu temps mesurées grâce à une balance àdu temps mesurées grâce à une balance àquartz.

â i d dé ô é i i é à élBâti de dépôt par évaporation assistée par canon à électrons

Dépôts de couches métalliques

Comme il a été présenté précédemment, les techniques d’oxydationthermiques et de CVD sont réservées à la fabrication de silicium et de couchesdiélectriques.

Les couches métalliques, quant à elles, sont fabriquées avec les autres techniques déjàdécrites :

• Pulvérisation cathodique (sputtering)

• Évaporation (thermique et assistée par canon à électrons)

Les propriétés des couches métalliques obtenues vont bien évidemment dépendre de latechnique utilisée pour leur fabrication et des divers paramètres de dépôt(essentiellement vitesse, température, pression,..).(essentiellement vitesse, température, pression,..).

Les contacts métalliques

Un grand nombre de métaux ou d’alliages peuvent être utilisés pour réaliser lesUn grand nombre de métaux ou d alliages peuvent être utilisés pour réaliser lescontacts électriques ainsi que les interconnexions dans un circuit intégré. Ces métauxdoivent satisfaire les conditions suivantes :

• Faible résistivité (10‐5 Ωcm)

• Bonne adhésion au matériau sur lequel il est déposé (Si, SiO2, III‐V, …)• Stabilité mécanique• Facile à souder• Permettre des attaques chimiques sélectives

• Permettre des traitements thermiques ultérieurs : tenue en température.• Résistance à l’électro‐migration même sous forts champs électriques.

• Réalisation d’un contact ohmique ou bien d’un contact bloquant.


Pour les semiconducteurs faiblement dopésPour les semiconducteurs faiblement dopés(< 1017 cm‐3), le transport des charges àtravers le contact s’effectue par émissionthermoionique au‐dessus de la barrière depotentiel, la résistance de contact est trèsélevée, c’est un contact Schottky.

Po r les dopages très éle és (>1019 cm‐3) lePour les dopages très élevés (>1019 cm‐3), letransport des charges se fait par effet tunnelà travers la barrière de potentiel, la résistancespécifique de contact est très faible, lep qcontact est de type ohmique.

Afin d’obtenir un bon contact ohmique il fautdonc sur‐doper la zone superficielle dusubstrat.


Forts dopages = transportdes charges à travers le

t t ff t t lcontact par effet tunnel

Dopages faibles et moyens =transport des charges àtravers le contact parémission thermoionique

epitaxie du silicium - eea.univ-montp2.fr · homogénéité des flux gazeux au voisinage du...

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