le silicium existe en grande quantité à la surface du globe terrestre

7/21/2019 Le Silicium Existe en Grande Quantité à La Surface Du Globe Terrestre

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Le silicium existe en grande quantité à la surface du globe terrestre. C'est ledeuxième élément le plus fréquent de la croûte terrestre ; O2 (46%), Si (28%), Al(8%). Sa température de fusion est de 1415°C, qui est donc assez élevée, et sonaffinité chimique est forte à haute température.

Le silicium cristallise dans une structure zinc-blende tétraèdrique (ou cubique facecentrée avec motif à deux atomes décalés d'un quart suivant la première diagonale)identique à celle du diamant mais avec une distance interatomique légèrement plusélevée. C'est donc un matériau avec une bonne cohésion et donc une bonne stabilitéthermique.

Les sources naturelles sont essentiellement les silicates (sable, etc...) mais aussizircon, jade, mica, quartz, donc du SiO2 sous diverses formes et plus ou moins decontaminants (qui lui donnent des couleurs différentes).

Ainsi, le silicium existe essentiellement sous forme oxydée et nécessite d'une part

d'être réduit et d'autre part d'être purifié afin d'obtenir un matériau dit de qualitéélectronique ou EGS (Electronic Grade Silicon). Le problème est que la silice n'estpas réduite simplement par l'hydrogène et qu'il faut donc trouver une technique deréduction, notamment par le carbone à très haute température.

II) Pureté chimique requise

La qualité électronique ou microélectronique est en fait difficile à obtenir et nécessiteune succession importante d'étapes de purification. Il faut se rappeler que d'une parttoute la théorie effectuée sur les dispositifs à semi-conducteur est basée sur uncristal parfait ou quasi-parfait. La notion de dopage tient compte du fait que l'on peutmaîtriser la concentration d'atomes dopants au niveau de 1014 cm-3. Bien que cechiffre puisse paraître grand il est en fait très faible par rapport au nombre d'atomespar unité de volume du réseau cristallin. En effet, dans le cas du silicium, il y a 5.1022 atomes par cm3. Cela signifie que la pureté chimique exigée doit être meilleure que10-9, soit d'une partie par milliard (ou 0,001 ppm).

La démarche va donc consister dans un premier temps à obtenir du silicium de

qualité dite métallurgique (Metallurgic Grade Silicon), puis de purifier le matériau pouratteindre la pureté requise ou électronique (Electronic Grade Silicon).

La première étape consiste à effectuer une électrolyse dans un four à arc pouratteindre des températures suffisantes permettant de fondre la silice. Le SiO2 estmélangé à du carbone (charbon).

En pratique, l'électrode est en graphite et est consommée par l'arc électrique (figure 3).

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch2c.htm#fig



http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/chap2c.htm

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/chap2b.htm






La réaction bilan est la suivante, sachant qu'en réalité elle résulte d'un grand nombre deréactions chimiques intermédiaires :

SiC(liquide) + SiO2 (liquide) ---> Si (liquide) + SiO (gaz) + CO (gaz)

Nous donnons dans la suite quelques réactions intermédiaires mises en jeu dans lefour à arc montrant la complexité de la chimie effective à ces hautes températures :

SiO + SiO2 ---> Si (solide) + SiO (gaz) + CO (gaz)

SiO2 + 2C ---> Si + 2CO

SiO2 + C ---> + SiO + CO

SiO + CO ---> SiO2 + C

Figure 3 : Electrolyse de la silice permettant d'obtenir du silicium fondude qualité métallurgique (d'après L. Crossman et J. Baker [1]).

Après cette opération, le silicium obtenu a une pureté de 98 %. Il faut donc le purifierencore de plusieurs ordres de grandeur pour obtenir du matériau pour lamicroélectronique.

IV) Purification du silicium

Il s'agit, en partant du silicium métallurgique de faire une purification chimique. Unedes méthodes utilisées consiste à faire une distillation à partir d'un produit, liquide àtempérature ambiante, qui contient le silicium. Une possibilité consiste à fabriquer unhalogénure de silicium.



De nombreux procédés ont été développés par les différents producteurs mondiauxde silicium basés sur le trichlorosilane (SiCl4), c'est le cas de Rhône-Poulenc,Westinghouse, Texas, Saint Gobain, le dichlorosilane (SiH2Cl2) mis au point parWacker, ou le trichlorosilane (SiHCl3) par Siemens ou Union Carbide. D'autrestechniques sont basées sur le tétrafluorosilane (SiF4) ou le tétraiodure de silicium

(SiI4).

L'exemple choisi concerne la fabrication du trichlorosilane par pulvérisation du siliciumréagissant avec le gaz de chlorure d'hydrogène (HCl ou acide chlorhydrique) suivant laréaction :

Si (solide) + 3HCl (gaz) —— 300°C —— > SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz)

La réaction avec le chlore permet une première purification puisque par exemple desprécipités chlorés de métaux ne sont pas mélangés au trichlorosilane. Une distillation(type alambic) permet alors une purification supérieure.

Ce trichlorosilane purifié est ensuite réduit pour redonner du silicium dans unréacteur présenté figure 5. La réaction chimique bilan est la suivante :

SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz) —— > Si (solide) + 3HCl (gaz)

Figure 4 : Distillation du composé de silicium chloré. Après distillation,le réacteur permet d'obtenir le dépôt de silicium.



Figure 5 : Schéma d'un réacteur CVD pour la production de silicium dequalité électronique à partir de SiHCl3 (d'après L. Crossman et J. Baker[1]).

Le procédé est dans ce cas identique à un dépôt chimique en phase vapeur (CVD). A partir d'un germe dans de très longs tubes, on dépose progressivement le silicium.On obtient des lingots en structure polycristalline jusqu'à 20 cm de diamètre. Lapureté obtenue est de l'ordre du ppm, soit des concentrations équivalentes de l'ordrede 1016 cm-3.

Le tableau suivant donne quelques exemples de concentrations résiduelles aprèspurifications des principales impuretés ou éléments dopants. Pour la plupart, ellessont suffisamment faibles pour pouvoir utiliser le matériau en microélectronique àcondition de fabriquer du cristal. C'est à partir de ce silicium polycristallin que l'on doitfabriquer le monocristal.

Impureté MGS (ppm) EGS (ppm)

Al 1570 -

B 44 <0,001

Fe 2070 4

P 28 <0,002

Sb - 0,001

Au - 0,00007

Figure 6 : Comparaison de la concentration relative de quelquesimpuretés ou dopants dans le silicium avant et après purification (ppm :

partie par million) (d'après S.M. Sze[2]).



a fabrication des plaquettes à partir du silicium purifié nécessite un grand nombred'étapes que nous allons détailler. Il faudra tout d'abord réaliser un cristal, sousforme de lingot qui sera ensuite découpé en rondelles pour constituer les plaquettes.Nous allons voir qu'un grand nombre de précautions est nécessaire. Ainsi, cesétapes sont suffisamment nombreuses pour considérer un "alphabet" complet

d'étapes élémentaires (d'après brochure SCItec).

a) charge de polysilicium le plus pur possible :

Le silicium purifié est utilisé pour constituer la charge à introduire dans le réacteur decroissance. Le problème provient de la pureté chimique qui, malgré sa grande valeur,reste encore faible eu égard au dopage.

Ce cristal de silicium comporte 5.1022 atomes par cm3. Avec une pureté de

0,999999(difficilement accessible) le dopage non intentionnel équivalent peut être de5.1016 cm-3. Il faudra ainsi faire mieux dans la suite !

b) préparation de la charge à fondre et à transformer en lingot :

Cette charge peut être dopée si l'on désire des plaquettes dopées (substrats dopésdans les procédés). On rajoute ainsi, en proportion calculée, la quantité relative dedopant dans l'ensemble de la charge.

c) tirage et croissance du cristal :

La charge, mise dans un creuset en graphite, est fondue. A partir d'un germe, oneffectue un tirage progressif du lingot moyennant des conditions très précises(températures du creuset de charge fondue, de l'enceinte, gradient de température,transfert de chaleur, vitesse de tirage du germe, etc...). On obtient des lingots dedifférents diamètres suivant la vitesse de tirage. Cette méthode de tirage est appelée"Czochralski". Notons que la différence de vitesse de diffusion des espèces entre la

phase liquide et la phase solide entraîne une modification de la concentration relativedes espèces le long du lingot. C'est en particulier vrai pour la concentration dedopant qui implique que la résistivité ne sera pas constante le long du lingot, toutechose égale par ailleurs.

L'évolution de la dimension des lingots a été liée à l'évolution de la maîtrise desprocédés et des équipements associés avec comme but l'augmentation durendement de fabrication et la diminution des coûts de production par circuit intégréréalisé. Ainsi, en moins de 30 ans, le diamètre des plaquettes a varié dans un rapport10.



1964 : 25 mm

1969 : 50 mm

1974 : 75 mm

1978 : 100 mm

1982 : 125 mm

1985 : 150 mm

1990 : 200 mm

1998 : 300 mm

Figure 7 : Evolution de la taille des substrats de silicium depuis le début des circuitsintégrés

Figure 8 : Tirage d'un lingot par la technique Czochralski. Le diamètre du lingot est lié aux paramètres physiques en cours de tirage.



Figure 9 : Cristallisation du lingot et purification par la méthode de fusion de zone. Au coursdu déplacement de la zone fondue, les impuretés dopantes ou non dopantes se redistribuent

dans le lingot.

Une autre technique peut être employée pour réaliser des lingots de grandedimension. Elle consiste à partir d'un lingot de silicium polycristallin obtenu dans leréacteur de réduction du trichlorosilane. La cristallisation est obtenue en pilotant lacroissance à partir d'un germe fixé en extrémité de lingot par le déplacement d'unezone fondue (figure 9). Cette zone est chauffée en limite de fusion du silicium grâce àl'alimentation d'une bobine parcourue par un courant haute fréquence (courant deFoucault).

Cette méthode est aussi utilisée pour purifier un lingot ; on exploite en effet lesphénomènes de diffusion des impuretés à haute température dans un solide. Dansce cas, on peut monter jusqu'à 3 bobines autour du lingot qui sont parcourues par uncourant HF. C'est un moyen pour obtenir des lingots de faible dopage résiduelnotamment nécessaires pour la réalisation de composants de puissance (zonesquasi-intrinsèques permettant la tenue en tension).

Une autre technique peut être utilisée pour le tirage des lingots. Dans le cas decomposés semi-conducteurs III-V, on peut réaliser le lingot dans un bac

parallélépipédique dont le fond est arrondi. La cristallisation s'effectueprogressivement depuis une extrémité ; c'est la méthode dite "Bridgman".



Figure 10 : Tirage d'un lingot par la méthode Bridgman. Cette technique est plus spécialementutilisée pour les lingots de composés III-V tel que le GaAs.

d) équeutage du lingot :

Cette opération consiste à éliminer les extrémités du lingot soit mal cristallisées soitriches en impuretés (surtout si la technique de croissance a été la fusion de zones ).

e) contrôle de résistivités sur les extrémités du lingot :

En raison de la variation de la concentration d'impuretés lors tirage du lingot, larésistivité finale varie en fonction de la position. Une vérification des spécifications(gamme de variation) est nécessaire. La technique employée est du type mesurequatre pointes.

f) repérage cristallographique du lingot par méthode de diffraction des rayons X :

Il sera nécessaire de connaître les orientations cristallographiques afin d'effectuer enfin de fabrication la découpe suivant les axes cristallographiques. Après repérage, oncrée un méplat servant de référence (plan 100 par exemple).



g) polissage cylindrique :

Lors du tirage, le diamètre du lingot varie légèrement ce qui constitue desondulations à sa surface. Pour obtenir des plaquettes de même diamètre unpolissage cylindrique est nécessaire.

h) polissage d'un méplat de référence cristallographique et géométrique :

Cette référence servira au cours du procédé (orientation des zones de conductionpar rapport aux axes du cristal, repérage des motifs lors de la photolithographie, axescristallographiques pour la découpe des puces). Par ailleurs, suivant le type dedopage de substrat et son orientation cristallographique, on fera des repèressupplémentaires. Notons que sur les plaquettes de 200 mm, seul subsiste unrepérage cristallographique par une petite encoche ; la nature du substrat estindiquée dans le marquage (effectué par laser).

Figure 11 : Méplats d'identification des plaquettes. On peut facilement

repérer les types n des types p et leurs orientations

i) découpage des plaquettes :

Ce découpage s'effectue à l'aide d'une scie diamantée de 400 µm d'épaisseurenviron pour les lingots de diamètre important. Des techniques de coupes par scie àfil commencent à être utilisées chez de nombreux fabricants. Dans ce dernier cas,les pertes de coupes sont plus faibles.



scie environ 400 m de copeaux

plaquette environ 400 µm à 600 µm brut de sciage

Compte tenu de l'équeutage et du polissage 50% à 60% du lingot est éliminé. Enpratique, les plaquettes de dimension supérieure à 150 mm font au moins 500 µm

d'épaisseur en cours de procédé afin d'éviter une fragilité mécanique. Cetteépaisseur est réduite à 250 - 300 µm avant découpage (étape d'amincissement) afinde faciliter les échanges thermiques (voire électriques) avec le support de puce dansles boitiers.

j) traitement thermique :

Le sciage crée des contraintes mécaniques dans le cristal. Il faut relaxer le cristal parune montée en température (recuit) à des températures de l'ordre de 600°C à 700°C.

A ces températures, les énergies propres des atomes sont suffisantes pour leurpermettre de se repositionner dans les sites cristallins.

Ce traitement thermique présente aussi l'avantage de diminuer l'effet des atomesoxygène (type donneur) ainsi que de stabiliser la résistivité.

k) polissage des bords-"ébardage" :

Après sciage, des "gendarmes" ou de la "barbe" subsistent sur la périphérie des

plaquettes. Il faut l'éliminer. Par ailleurs, pour faciliter la manipulation des plaquettesen cours de procédé, on arrondit le champ. Cela permet de ne pas dégrader lesdispositifs de prises et de supprimer des amorces de cassures.

l) tri des plaquettes en fonction des épaisseurs :

Les épaisseurs après découpe pourront être sensiblement différentes. Il faut donclimiter la quantité de matière à éliminer par le polissage (le tri se fait par gamme de

10 µm par exemple).



m) enrobage des plaquettes dans une mixture d'alumine en solution - polissage :

Afin d'améliorer l'état de surface des plaquettes, ces dernières subissent un

polissage à l'aide d'une mixture contenant des grains d'alumine de dimensionmicronique.

n) nettoyage :

Cette étape consiste à éliminer les composés abrasifs et les contaminants par dessolvants et de l'eau désionisée.

o) attaque chimique des plaquettes :

Lors des différentes étapes, il s'est formé, en surface des plaquettes, un oxyde natifcontenant des impuretés. Ces impuretés sont soit métalliques et sont éliminées parune solution acide, soit organiques et éliminées par une solution basique :

- solutions acides : HNO3, CH3COOH,

- solutions basiques : KOH. On n'utilise pas de soude (NaOH) car lesodium est un polluant violent pour les oxydes, plus particulièrementpour les oxydes de grille des transistors MOS.

L'oxyde natif est finalement attaqué par une solution d'acide fluorhydrique (HF). Onobtient alors une surface chimiquement neutre avant un polissage "miroir".

p) endommagement de la face arrière :

Le partie utile de la plaquette se trouve très près de la surface supérieure. Il va s'agir

de rendre cette zone la plus pure possible aussi bien au niveau des impuretés(atomes étrangers) que des défauts cristallographiques ou structuraux (macles,dislocations, etc...). On va alors créer des défauts sur la face arrière par sablage oubombardement LASER, ce qui provoque un dépolissage. Lors des traitementsthermiques ultérieurs, les impuretés du côté de la face active vont migrer dans lesubstrat et être piégées par des états plus favorables énergiquement créés par lesdommages de la face arrière. On appelle ce phénomène, l'effet "getter".



Figure 12 : La face arrière est endommagée. Elle perd son aspectmiroir. Cette opération permet d'améliorer la zone active très proche de

la face supérieure.

q) tri en fonction des épaisseurs :

Après dépolissage de la face arrière, les épaisseurs ont varié. On effectue donc unnouveau tri par gamme d'épaisseur.

r) préparation au polisage final de la face active :

Les plaquettes sont montées dans des polisseuses.

Figure 13 : Les plaquettes sont montées sur une polisseuse. Elle estconstituée de satellites qui tournent sur eux-mêmes afin d'améliorerl'homogénéité de polissage des plaquettes (d'après brochure SCItec).

s) élimination de l'excès d'épaisseur :

25 µm environ sont éliminés.



t) polissage final "miroir"

Ce polissage peut être mécanique ou mécano-chimique qui combine à la fois les

effets mécaniques et chimiques. Il faut éliminer les rayures, les peaux d'orange.Cette opération est effectuée à l'aide d'une machine identique à celle de la figure 13,mais avec des disques de polissage peu agressifs et une solution abrasive à très

petits grains (diamètre de 0,1 à 0,5 m)

u) démontage, nettoyage, tri :

Ces dernières opérations permettent :

- le démontage des plaquettes des supports de polissage,

- le nettoyage final,

- le tri final en fonction des épaisseurs.

v) test de résistivité des plaquettes , tri final en fonction des résistivités :

Afin de sélectionner les lots pour les clients, un tri en fonction de la résistivité est effectué.

w) repérage - marquage :

Un marquage de lots, lingots, date, etc.. , est réalisable à l'aide d'un faisceau laser.Cela permet de suivre la plaquette tout au long des étapes de fabrication.

x) nettoyage final en salle blanche :



Pour démarrer l'ensemble des étapes du procédé de fabrication des circuits intégrés,il ne faut pas de graisse, pas de poussières, etc... . Un nettoyage final estnécessaire.

y) inspection visuelle :

C'est l'être humain qui reste à l'heure actuelle le meilleur inspecteur. Il détecte desvariations de couleur, des rainures, des rayures, des poussières de dimensionsinférieures au micron. Un système automatique à balayage optique sur toute laplaquette ne serait pas encore suffisamment performant. Prenons, par exemple, unesurface de 10 cm x 10 cm de côtés à contrôler. Il faudra balayer cette surface parzone de mesure (ou "point" de mesure), qui sont de 0,05 µm de coté, pour simplifier.

Un point de 0,05 µm x 0,05 µm nécessite au moins 1 µs de temps de traitement

(analyse spectrale par exemple). Dans ce cas, le temps total d'analyse est :

C'est un temps énorme et donc peu réaliste. En fait, dans ce cas l’œil humain estbeaucoup plus efficace car il traite l'information en parallèle grâce à des millions decellules rétiniennes !

z) test de planéité :

Ce test est important pour la lithographie. Il existe aujourd'hui des machines à testerla planéité basée sur une mesure optique (déviation d'un faisceau laser).

Après l'ensemble de ces étapes, les plaquettes sont prêtes pour subir les étapes defabrication des circuits intégrés (ou des composants discrets).

I) Définition :

L'épitaxie est une étape technologique consistant à faire croître du cristal sur du cristal.Etymologiquement, "épi" signifie "sur" et "taxis", "arrangement". La technique va doncconsister à utiliser le substrat comme germe cristallin de croissance et à faire croître la couche

par un apport d'éléments constituant la nouvelle couche. La couche épitaxiée peut être dopéeou non dopée.

On parlera, dans le cas où :



- les matériaux sont identiques, d'homoépitaxie ; par exemple, épitaxie d'unecouche n- sur une couche n+, impliquée dans la jonction collecteur-base d'untransistor bipolaire permettant une meilleure tenue en tension de cette jonction

polarisée en inverse (figure 14),

- les matériaux sont différents, d'hétéroépitaxie ; par exemple croissance d'unecouche de GaxAl1-xAs sur une couche de GaAs ; cet assemblage permet lafabrication de super-réseaux ou de couches à forte mobilité destinées auxtransistors HEMT (High Electron Mobility Transistor).

Dans ce dernier cas, la croissance ne sera possible que s'il y a accord de maille, c'est-à-diremême réseau cristallin et paramètres de maille très voisins (distance entre atomes peudifférente pour le nouveau réseau ; quelque 1 à 2 % au maximum d'écart).

Figure 14 : Exemple d'une épitaxie n- sur un substrat de type n+ ; ondira que le substrat est épitaxié.

II) Mécanisme physique de base :

Pour comprendre la croissance épitaxiale, il faut s'attarder sur la possibilité de fixation desatomes en présence près de la surface et leur accrochage possible au réseau cristallin. Il fautd'une part que les atomes puissent se déplacer au niveau de la surface pour atteindre un sitecristallin ou éventuellement quitter cette surface. Pour cela, il est nécessaire d'apporter del'énergie qui est en général sous forme thermique. Plusieurs situations peuvent se présenter enfonction du lieu de collage des atomes à la surface avant réalisation des liaisons chimiques, telque représenté sur la figure suivante. Les 3 mécanismes prépondérants sont les suivants :

- un atome arrive sur la surface et repart de celle-ci la liaison possible n'étant pas suffisante pour "accrocher" l'atome (A),

- un atome tombe dans un trou du réseau et établit immédiatement, vu sonenvironnement plusieurs liaisons qui le fixent définitivement dans le cristal(B),

- un atome s'accroche sur le bord d'une marche et reste en moyenne lié (C).





Figure 15 : Mécanismes élémentaires de la croissance épitaxiale. Les

atomes dans les trous ou contre les marches établissent des liaisons quiles "collent".

L'analyse de ces 3 mécanismes (dont la présentation a été simplifiée), montre facilement queles trous seront les premiers bouchés et que la croissance se fera couche atomique par coucheatomique à condition que l'apport d'atomes soit bien dosé et que ces derniers aient une énergiesuffisante pour se mouvoir à la surface et atteindre les sites d'accrochage. Ces conditions vontdépendre de la méthode expérimentale utilisée.

III) Les méthodes expérimentales :

Il existe principalement 3 types de méthodes expérimentales.

- l'épitaxie par jet moléculaire, EJM ou MBE (Molecular Beam Epitaxy),

- l'épitaxie en phase liquide ou LPE (Liquid Phase Epitaxy),

- l'épitaxie en phase vapeur ou VPE (Vapor Phase Epitaxy).

Pour chacune de ces techniques, des appareillages spécifiques sont mis en œuvre.

L'épitaxie par jet moléculaire

Cette technique consiste à envoyer des molécules à la surface d'un substrat dans un vide très poussé afin d'éviter tout choc ou contamination sur le parcours. Le principe de la source estl'évaporation sous vide (cellule de Knudsen) par chauffage. Les sources d'évaporation peuventêtre de nature et de dopage différents ; pour chaque élément évaporé, il faut adapter la

puissance de chauffe de cellules mais aussi du porte-substrat. Par le contrôle des cellulesd'évaporation, on crée un jet de molécules en direction du substrat ; on peut ainsi réalisercouche par couche des structures très complexes telles que les super réseaux, les diodes laser,les transistors à forte mobilité d'électron (HEMT). On obtient ainsi une très grande précisionde croissance, des jonctions très abruptes, mais cette opération est très lente et ne concernequ'un seul substrat à la fois. La vitesse de croissance est de l'ordre de 1nm par minute. Cettetechnique est donc très coûteuse et ne concerne que des dispositifs à très forte valeur ajoutée.

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch4c.htm#ejm



http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch4c.htm#epl



http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch4c.htm#epv








Ce système ultravide, 10-10 Torr, permet tous les contrôles et les caractérisations in-situ dontles principes nécessitent un vide poussé : diffraction d'électrons, spectroscopie Auger, ESCA(XPS ou UPS), diffraction des rayons X, etc... On peut ainsi, en permanence, vérifier lacristallinité du cristal en cours de croissance.

Figure 16 : Bâti d'épitaxie par jet moléculaire, EJM, ou MolecularBeam Epitaxy, MBE (d'après D.V Morgan et K. Board [3]).

L'épitaxie en phase liquide

Cette technique consiste à faire croître le cristal par la mise en contact du substrat avec unesource liquide. C'est le même principe que le tirage d'un lingot par la méthode Czochralski. Ilfaut bien contrôler les échanges thermiques pour éviter de liquéfier le cristal existant. Cetteméthode présente l'avantage d'être très rapide, la vitesse de croissance peut être de l'ordre dumicron par minute mais bien sûr n'a pas du tout la même précision que l'EJM.



Figure 17 : Dispositif multibain d'épitaxie en phase liquide. Lessolutions peuvent être de matériau ou de dopage différents pour réaliserune hétéroépitaxie (par exemple un hétérotransistor bipolaire).

L'épitaxie en phase vapeur (VPE ou CVD)

Cette opération consiste à faire croître le cristal à partir de sources de gaz contenant leséléments dopants. Dans le réacteur, les gaz se dissocient pour fournir par exemple le siliciumqui se dépose à la surface des plaquettes. Pour assurer une bonne croissance ces dernières sontchauffées. Nous verrons dans la suite que suivant la température de croissance, les réactionsmises en jeu sont très différentes et qu'elles peuvent même conduire à des effets négatifs. Ilfaudra donc aussi contrôler les équilibres chimiques par injections de gaz résultant de ladécomposition de la source. Nous allons donner, ci-dessous, plus d'information sur cesdifférentes réactions.

Figure 18 : Banc d'épitaxie en phase vapeur. Les gaz injectéscontiennent en général du trichlorosilane, du HCl et de l'hydrogène.

Procédés d'épitaxie en phase vapeur du silicium

Il existe différents types de procédés d'épitaxie du Silicium suivant la source de silicium qui peut être du SiCl4, SiHCl3, du SiH2Cl2 et du SiH4.

1) à partir du tétrachlorosilane, SiCl4, la réaction est :

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch4c.htm#sicl4




http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch4c.htm#sihcl3




http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch4c.htm#sih2cl2






http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch4c.htm#sih4











SiCl4 gaz + 2H2 gaz Si sol + 4HCl gaz

Elle s'effectue en général autour de 1250°C, ce qui entraîne durant l'épitaxie une redistributionimportante des dopants.

2) à partir de trichlorosilane, SiHCl3, la réaction est :

SiHCl3 gaz + H2 gaz Si sol + 3HCl gaz

Elle s'effectue en général autour de 1100°C ; c'est la méthode industrielle la plus utiliséeactuellement.

3) à partir de la pyrolyse du dichlorosilane, SiH2Cl2 , la réaction est :

SiH2 Cl2 gaz Si sol + 2HCl gaz

Cette réaction permet d'obtenir une bonne qualité du cristal avec une vitesse de dépôtrelativement élevée.

L'ensemble des trois méthodes ci-dessus présente l'inconvénient de produire de l'acidechlorhydrique qui peut attaquer le silicium en cours de croissance. Par contre, on peut jouersur la pression partielle de ce composé pour contrôler la croissance.

4) à partir du silane, SiH4 :

La réaction de pyrolyse du silane est une réaction irréversible :

SiH4 gaz Si sol + 2H2 gaz

Cette réaction s'effectue à 1000°C sans composés chlorés. Cette technique permet de réaliser

des jonctions abruptes puisque la température n'est pas très élevée, mais le silane est un produit coûteux et dangereux (il s'enflamme instantanément à l'air libre) et la vitesse de dépôtest faible.

IV) Aspect thermodynamique de l'épitaxie : système H/Si/Cl :

Pour effectuer cette analyse nous allons considérer le procédé utilisant un composé chloré dusilicium. Mais il faut remarquer que la présence simultanée de H2, HCl et Si dans le réacteur

implique l'ensemble des réactions qui sont mentionnées ci-dessous :

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/chap4d.htm






SiCl4 gaz + 2H2 gaz Si sol + 4HCl gaz

SiHCl3 gaz + H2 gaz Si sol + 3HCl gaz

SiH2 Cl2 gaz Si sol + 2HCl gaz

SiCl2 gaz + H2 gaz Si sol + 2HCl gaz

SiCl gaz + H2 gaz Si sol + HCl gaz

La vitesse de réaction directe, vd, est proportionnelle aux puissances des pressions partiellesdes composants situés à gauche dans la réaction et à une constante de réaction kd. vi et kisont les analogues pour la réaction inverse. Pour la première réaction nous avons :

A l'équilibre, la réaction est telle que vd = vi. La constante d'équilibre est donnée par :

Si KSiCl4 est inférieur à 1, on favorise la dissociation du SiCl4 et donc l'épitaxie. Cette

condition est obtenue en jouant sur le flux d'hydrogène dans le réacteur.

Chaque réaction a sa constante d'équilibre. A partir de ces constantes et des pressions partielles de chacun des gaz, on peut exprimer la pression totale, P, en fonction du rapport

La pression totale P = SPpartielles s'exprime alors en fonction de, X, X2, 1/X. En considérant

que dans les cas pratiques, la pression de SiCl est toujours faible (voir figure 16), on obtientune équation quadratique du type :

En fixant le rapport des flux HCl/H2, dont la valeur est en général de 0,02, on peut obtenir letableau des fractions molaires en présence dans le réacteur en fonction de la température(figure 19).



Figure 19 : Fraction molaire des différentes espèces en présence lors dela croissance épitaxiale en fonction de la température.

Pour obtenir la cinétique de croissance, on considère le flux de l'espèce considérée (silicium)dans le gaz, F1, et en surface, F2, de la couche épitaxiale.

Ces flux peuvent s'exprimer comme suit :

hG est le coefficient de diffusion de l'espèce considérée dans l'environnement gazeux.

En régime stationnaire, F1 = F2, d'où :

ce qui permet d'exprimer le flux F2 en fonction de CG, hG, et kS

V) Epitaxie sélective :



En fonction des gaz en présence dans les réacteurs et en fonction de la nature du matériau ensurface, le phénomène d'épitaxie se produit ou non. En d'autres termes, il est possible detrouver des conditions pour lesquelles on effectue une croissance sélective. Il est par exemple

possible d'effectuer une croissance de silicium sur du silicium en évitant la formation de lacouche sur l'oxyde. La figure suivante met en évidence ce type de phénomène qui est

actuellement exploité pour éviter des opérations de photolithogravure (qui sera vu plus loin) etqui permet de diminuer les dimensions des composants élémentaires et donc d'augmenterl'intégration.

Figure 21 : Transistor NMOS en technologie submicronique. Lessource et drain ont été "épaissis" par épitaxie sélective suivie d ’une

siliciuration. Les contacts Aluminium sont effectués sur le siliciure.

I) Phénomène de diffusion

Le phénomène de diffusion est un phénomène très général dans la nature, quicorrespond à la tendance à l'étalement d'espèces, particules, atomes ou moléculesgrâce à une excitation énergétique apportée par la chaleur. Suivant le milieu danslequel se déplacent ces espèces, l'étalement sera plus ou moins grand.

A température ambiante le phénomène de diffusion sera très important dans un

milieu gazeux, plus faible dans un milieu liquide et pratiquement nul dans un milieusolide. Pour obtenir un phénomène de diffusion dans un solide ou un cristal, il faudrachauffer le matériau à des températures voisines de 1000°C.

Dans la suite, nous nous intéresserons essentiellement aux mécanismes de diffusiondans le milieu solide, sachant qu'il est possible d'utiliser aussi des mécanismes enmilieu gazeux voire liquide au niveau des mises en œuvre technologiques deprocédés particuliers.

Pour mieux comprendre l'aspect macroscopique du phénomène de diffusion, il fautavoir une idée des phénomènes et mécanismes mis en jeu à l'échelle atomique.



II) Mécanisme de diffusion à l'échelle atomique

Les mécanismes de diffusion mis en jeu dans un cristal vont dépendre de la naturedu cristal et de la nature de l'espèce diffusante. On peut noter que les atomesconstituant le cristal peuvent eux-mêmes diffuser ; on parlera alors de mécanismed'autodiffusion. L'autodiffusion est importante puisqu'elle permet notamment de créerdes lacunes dans le réseau cristallin.

Figure 22 : Mécanismes de diffusion à l' échelle atomique. Ces mécanismes seront différentssuivant la nature de l'espèce diffusante et du cristal (daprès S.M. Sze [2] ).

Comme évoqué ci-dessus, les mécanismes ne seront possibles qu'à la condition queles espèces concernées soient suffisamment excitées (niveau d'énergie suffisant)pour statistiquement franchir les barrières d'énergie que constituent par exemple lesbarrières de potentiel atomique.

Ces barrières de potentiel vont dépendre des mécanismes mis en jeu. Par exempleun petit atome tel que le Bore pourra se "faufiler" entre les mailles du réseau cristallinet nécessitera donc une énergie plus faible pour se déplacer. Les quatre principauxmécanismes recensés sont :

- mécanisme lacunaire, correspondant à l'occupation d'une lacune ouvacance laissée par un atome du réseau cristallin qui peut, lui aussi semouvoir en laissant des lacunes,

- mécanisme interstitiel, correspondant au déplacement des atomes

entre les sites cristallins. Ce mécanisme sera prépondérant pour lespetits atomes,








- mécanisme interstitiel combiné au mécanisme lacunaire. Cephénomène correspond à un placement en site substitutionnel d'unatome initialement positionné en site interstitiel tout en envoyant en siteinterstitiel l'atome en site cristallin d'origine. Ce phénomène correspondau "carreau sur place" du joueur de boules qui chasse la boule en lui

prenant sa place,

- mécanisme de groupe mettant en jeu plusieurs atomes. Cemécanisme de placement en force est plutôt typique des gros atomes.

Ces mécanismes peuvent être modélisés indépendamment mais nécessiteraient desgros moyens de calcul pour simuler l'avancement d'une quantité importante d'atomesdopants dans le cristal. Il est donc plus facile de traiter le problème de façonmacroscopique et statistique, ce que nous allons faire dans la suite.

II) Equations de diffusion

La première loi de Fick traduit la tendance à l'étalement ; le flux d'atomes estproportionnel au gradient de concentration de ces atomes et s'exprime par :

équation dans laquelle D est le coefficient de diffusion. D dépend fortement de latempérature ; quasi-nul à la température ambiante, ce coefficient est de l'ordre del'unité en micron carré par heure pour des températures de l'ordre de 1100°C.

La deuxième loi à prendre en compte est l'équation de continuité. Dans un élémentde volume donné, d'épaisseur dx, si le flux entrant est supérieur au flux sortant, laconcentration de l'espèce considérée augmente. Cette équation est aussi utiliséepour les porteurs électrons et trous dans un semi-conducteur mais dans le cas des

atomes il n'y a ni génération, ni recombinaison.

La combinaison des deux équations précédentes permet d'aboutir à la deuxième loide Fick suivante :







Pour intégrer cette équation différentielle qui comporte une dérivation par rapport autemps et une double dérivation par rapport à l'espace, il faut déterminer 3 conditionsparticulières (ou limites). Ces conditions vont dépendre du procédé technologiquemis en œuvre.

IV) Procédés de diffusion

Les procédés de diffusion vont dépendre de la nature des sources de dopants. Ilexiste trois grands types de sources qui permettent de fournir les éléments dopantsque l'on doit faire pénétrer dans les substrats. Ces sources sont gazeuses, liquides ou solides.

Figure 23 : Diffusion dans un four à partir de sources gazeuses. Les gazdopants sont entraînés par un gaz porteur neutre, tel que l'azote.

Les sources gazeuses sont les gaz tels que l'Arsine, AsH3, la phosphine, PH3 ou lediborane B2H6 (figure 23). Notons qu'il circule en permanence un gaz neutre (azote)afin d'éviter toute pollution par des éléments venant de l'atmosphère ambiante. Cetazote doit être très pur afin de ne pas polluer le four.

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch5d.htm#gazeuse



http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/ch5d.htm#solide









Figure 24 : Diffusion à partir de sources liquides. Les ballons contenantles liquides sont chauffés pour vaporiser le liquide afin de le faire

pénétrer dans le four.

Bien qu'a priori ces gaz soient simples à mettre en œuvre, ils sont par contre trèsdangereux puisque létaux pour l'homme à quelques ppm de concentration. On leurpréfère des sources liquides telles que POCl3 ou BBr3 qui sont liquides àtempérature ambiante mais facilement vaporisées pour être introduites dans desfours de diffusion (figure 24).

On peut aussi utiliser des sources solides que sont les verres contenant les dopantstels que nitrure de bore ou verre dopé au phosphore. Ces sources se présententsous forme de plaquettes et sont en général introduites dans le four en alternanceavec les plaquettes à doper (figure 25). Ces plaquaettes sont activées par uneoxydation qui permet de formet un oxyde. Dans le cas du Bore, du B2O5 se forme.Ces oxydes ou verres s'évaporent et se déposent sur les plaquettes. Au cours de cedépôt, une fraction pénètre depuis la surface dans le silicium. Après retrait dessources solides du four, les éléments dopants sont diffusés vers l'intérieur dusubstrat par une étape thermique (à haute température). En pratique, avant l'étapede diffusion, on élimine le verre déposé par gravure chimique, la quantité de dopantintroduite dans le substrat en surface durant le dépôt étant suffisante.



Figure 25 : Procédé de dopage à partir de sources solides. Les plaquettes de verre dopé permettent de réaliser un dépôt sur lessubstrats montés sur une nacelle (ou porte substrats).

V) Diffusion à partir de sources gazeuses :

Dans le cas des sources gazeuses, la concentration en surface dans le milieuambiant est constante ce qui signifie qu'en phase solide, en surface la concentration,Cs, est aussi constante. La condition limite s'écrira donc :

C(0, t) = Cs (quel que soit le temps en x=0)

La deuxième condition est une condition initiale, qui suppose que la concentration del'espèce à diffuser est initialement nulle (ou négligeable) dans le substrat. Cette

condition s'écrit donc :

C(x, 0) = 0 (quel que soit x à t=0)

La dernière condition est plus intuitive. Elle postule qu'à une distance infinie, laconcentration est nulle quel que soit le temps. Cela se conçoit bien si l'on se rappelleque pour que la diffusion se produise, il faut un gradient non nul de concentration.

C( , t) = 0 (quel que soit le temps)

A partir de ces conditions aux limites, la résolution de l'équation différentielle (2èmeloi de Fick) donne :

Une représentation graphique de ce profil est donnée figure 26 ; les courbes sontgénéralement tracées en échelle semi-logarithmique afin de bien apprécier ledomaine de variation de concentration.



Figure 26 : Diffusion de dopant dans un substrat faiblement dopé detype opposé à partir d'une source de dopant gazeuse. Cs est laconcentration en surface.

VI) Diffusion à partir de sources solides ou de dose en surface :

C'est aussi le cas lorsque le dopant a été introduit en surface par implantationionique (voir plus loin). La quantité totale (ou dose) est constante.

C(x, 0) = 0 condition initiale

( S : dose totale constante)

Rappelons que la quantité totale de dopant par unité de surface (ou dose) est

constante. De plus :

C(x, ) = 0

L'intégration de l'équation différentielle donne :

La forme du profil obtenu est gaussienne comme représentée sur la figure 27.

Comme la dose totale est constante, lorsqu'il y a étalement, la concentrationmaximale diminue. C'est ce qui se produit après une étape à haute température.



Ajuster les paramètres de dopage (température, duréé et type de dopant) et cliquersur "Ok" pour afficher les courbes:

Figure 27 : Evolution du profil de dopage en fonction du temps pourune diffusion à partir d'une dose en surface. Les profils sont gaussiens.L'intégrale sous la courbe (en échelle linéaire) est constante.

V) Effet du champ électrique

Si tous les dopants sont ionisés, il existe un gradient de concentration de porteurslibres majoritaires dans le matériau semi-conducteur. Sa densité de courant étantnulle (à l'équilibre thermodynamique), l'effet de diffusion des porteurs est compensé

par l'effet de champ électrique,

En considérant un matériau comportant des atomes donneurs de concentration ND(x), ladensité de courant totale d'électrons s'exprime par :

Dans cette équation, dans un premier temps, on peut faire l'hypothèse que laconcentration en électrons en tout point est égale à la concentration d'atomesdopants ionisés. A l'équilibre thermodynamique, la densité de courant totale est nulle,Jn = 0 d'où :

Or , si C(x,t) représente ND(x)



Le déplacement des atomes ionisés étant équivalent à une densité de courant, le fluxd'atomes dopants s'exprime par :

Z étant l'état de charge du dopant (1, 2, ...)

avec h, facteur d'augmentation dû au champ, qui s'écrit donc :

ou encore :

- si ND << ni à la température de diffusion, h =1.

- si ND>> ni à la température de diffusion, h =2, valeur maximale.



Figure 28 : Un gradient de concentration d'électrons est associé au

gradient de concentration de dopants de type n. Un champ électriqueest induit par la diffusion des électrons. Ce champ va aussi agir sur ladiffusion des ions.

Figure 29 : Effet du champ électrique sur la diffusion d'ions dopants.L'accélération de la diffusion aux forts dopages rend le profil plusabrupt.

On peut remarquer que la concentration intrinsèque, ni, dépend fortement de latempérature. En effet, ni est thermiquement activé et s'exprime comme :

Pour le Silicium, à température ambiante, ni est de l'ordre de 1010 cm-3, et E

G de

l'ordre de 1,12eV. A 1027°C, c'est-à-dire à 1300K, ni vaut environ 2,5.1017cm-3, cequi signifie que son ordre de grandeur est complètement modifié. Cela implique que



dans les régions de fort dopage, la diffusion sera supérieure à celles de dopage plusfaible en raison du champ électrique induit. Cela a pour conséquence de modifier leprofil (par exemple gaussien) pour avoir un profil plus abrupt (cf graphiqueprécédent).

Impolontation ionique

) Introduction :

Cette opération consiste à introduire des atomes ionisés projectiles avec suffisammentd'énergie pour pénétrer dans l'échantillon cible (en général une plaquette). Cette pénétrationne s'effectue que dans des régions de surface. Cette opération est essentiellement utilisée pourdoper le semiconducteur durant la fabrication des dispositifs (création de zones de source oude drain d'un transistor MOS, d'une base et d'un émetteur dans un transistor bipolaire, etc...).Les atomes dopants sont en général : B, P, As, In, etc...

Les énergies des atomes ionisés peuvent être dans la gamme 3 keV à 500 keV. En fonction dela nature du matériau implanté, de la nature de l'ion accéléré et de l'énergie d'accélération la

profondeur moyenne de pénétration peut aller de 100 Å à 1 m. En effet, un calcul

approximatif montre qu'une centaine d'électron-volts est perdue par couche atomique (environ2,5 Å).

I-1) Intérêt de cette technique :

Elle permet un contrôle précis de la quantité totale d'atomes implantés (dose d'implantation) etdu profil de concentration du dopant. Cette précision permet en particulier l'ajustement de lavaleur du gain en courant d'un transistor bipolaire ou l'ajustement de la tension de seuil d'un

transistor MOS (choix de la nature d'un transistor - à enrichissement ou à appauvrissement). Notons que ce procédé s'effectue sous vide et donc en atmosphère sèche.

II-2) Inconvénients :

Le bombardement d'un monocristal par des atomes crée des dommages dans la structurecristalline implantée. Il y a donc nécessité de restituer la cristallinité du matériau ; ceci estréalisé par un recuit thermique. Ce recuit thermique permet aussi une redistribution desatomes dopants et donc une modification du profil de dopage par phénomène de diffusion.

Notons que ce recuit peut aussi permettre l'activation du dopant implanté (passage en sitesubstitutionnel).


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Cristal avant implantation Cristal après implantation

III) L'implanteur :

L'implanteur est en pratique un accélérateur d'ions. Il est composé des parties suivantesvisibles sur la figure 31 :

- génération des ions à partir d'une source solide, liquide ou gazeuse dans un plasma excité à 25kV,

- sélection des ions par champ magnétique effectuant le tri par le rapport massesur charge,

- accélération des ions à l'énergie d'implantation souhaitée,

- mise en forme du faisceau d'ions par des lentilles électrostatiques,

- dispositif de balayage en x et y afin d'implanter de façon uniforme les plaquettes. Les fréquences de balayage sont telles qu'il y ait en permanenceglissement de la courbe de Lissajou associée.



Figure 31 : Schéma simplifié d'un implanteur ionique d'énergied'accélération maximale de 200keV.

déviation du faisceau pour éliminer les ions neutralisés sur le parcourset qui ne pourraient être dénombrés, chambre d'implantation.

IV) La dose implantée :

Celle-ci se mesure en nombre d'atomes par unité de surface. Cette mesure est possible car le flux d'ions atteignant la surface de l'échantillon correspond à uncourant. L'intégration du courant pour une surface bien définie sur la durée del'implantation permet de mesurer la dose (figure 32). On appelle en général la dose implantée.

Figure 32 : Mesure de la dose par intégration du courant d'ionssur une surface étalonnée (d'après S.M. Sze [5]) .

Procedes de fabrication

III) L'implanteur :










- dispositif de balayage en x et y afin d'implanter de façon uniforme les plaquettes. Les fréquences de balayage sont telles qu'il y ait en permanenceglissement de la courbe de Lissajou associée.

Figure 31 : Schéma simplifié d'un implanteur ionique d'énergied'accélération maximale de 200keV.

déviation du faisceau pour éliminer les ions neutralisés sur le parcourset qui ne pourraient être dénombrés,

chambre d'implantation.





Figure 32 : Mesure de la dose par intégration du courant d'ions

sur une surface étalonnée (d'après S.M. Sze [5]) .

III) L'implanteur :






- dispositif de balayage en x et y afin d'implanter de façon uniforme les

plaquettes. Les fréquences de balayage sont telles qu'il y ait en permanenceglissement de la courbe de Lissajou associée.





Figure 31 : Schéma simplifié d'un implanteur ionique d'énergie

d'accélération maximale de 200keV.

déviation du faisceau pour éliminer les ions neutralisés sur le parcourset qui ne pourraient être dénombrés,

chambre d'implantation.





Figure 32 : Mesure de la dose par intégration du courant d'ionssur une surface étalonnée (d'après S.M. Sze [5]) .

Procedes de fabrication

présentation :

Après avoir étudier l'ensemble des étapes technologiques de fabrication élémentaires, ce

chapitre est consacré à l'étude de quelques procédés complets typiques tels que la réalisationde :

- diodes,

- transistors bipolaires,

- transistors MOS.

Nous analyserons dans la suite des procédés plus complexes mettant en oeuvre plusieurs typesde composants simultanément. Ce sera le cas des technologies :

- CMOS,

- BiCMOS,

- BCD (bipolaire/CMOS/DMOS).

II) Nécessité de propreté : salle blanche :

Il faut avant tout se rappeler que le principal souci en cours de fabrication sera la propreté.Une seule poussière de dimension micronique se déposant sur une plaquette peut rendreinutilisable une puce de plusieurs millions de transistors.

Ainsi, toute fabrication s'effectuera dans une salle blanche, salle dont l'atmosphère estcontrôlée en température et humidité et dont le nombre de particules de poussières doit être le

plus faible possible.

On définit la "classe de propreté" par le nombre de particules de diamètre supérieur à O,5 m par pieds cube ; 1 pieds = 1 ft = 30 cm, c'est-à-dire que 1 ft3 = 0,027 m3 = 27 litres. La

notion de salle blanche commence lorsque la classe est inférieure ou égale à 1000. Dans uneatmosphère ambiante normale, la classe serait de 1 à 10 millions. Une bonne salle blanche




industrielle est actuellement de classe 1 voire 0,1. Ceci nécessite des équipements nombreuxet coûteux. En effet, l'atmosphère d'une salle blanche de production doit être entièrementrenouvelée toutes les 7 secondes en évitant toute turbulence dans les zones de travail.Plusieurs millions de mètres cube d'air sont ainsi soufflés et filtrés par heure dans une usine de

production.

Il faut éviter toute introduction de poussière, en particulier par les opérateurs et personnels.C'est la raison pour laquelle, toute personne entrant en salle blanche doit être entièrementéquipée de vêtements spéciaux (qui ne "peluchent" pas), de gants, cagoules, surchausses ouchaussures spéciales, etc... Une "douche d'air", pouvant durer plusieurs minutes, prise dans lesas d'entrée est nécessaire.

Il est donc clair que tous les équipements permettant d'effectuer le travail des plaquettesseront installés en salle blanche ou dans des enceintes à atmosphère rigoureusement contrôlée.

III) Nettoyage des substrats et plaquettes :<font< p=""> </font<>

L'opération de nettoyage est indispensable avant chaque étape technologique principale etcorrespond elle aussi à une longue suite d'opérations élémentaires. En effet, si une plaquetteou un substrat a attendu entre deux étapes majeures, il faut procéder à un dégraissage et undécapage de la surface en éliminant l'ensemble des impuretés ainsi que l'oxyde natif dusilicium qui se forme automatiquement s'il n'est pas recouvert d'une couche protectrice.

- 3 min dans un bain de trichloroéthylène chaud (dégraissage),

- 3 min dans un bain d'acétone (pour enlever le trichloroéthylène),

- 3 min dans de l'alcool éthylique (pour enlever l'acétone),

- 5 min dans de l'eau désionisée,

- 10 min dans la solution basique SC1 (3 NH4OH + 7H2O + 3H2O2) àébullition (élimine les impuretés organiques en régénérant l'oxyde natif),


- 10 min dans la solution acide (HCl + 6 H2O + H2O2) à ébullition (élimine lesimpuretés métalliques en régénérant l'oxyde natif),


- 1 min dans de l'acide fluorhydrique (élimination de l'oxyde natif)

- 5 min dans de l'eau désionisée.

Cet ensemble d'opérations est renouvelé autant que nécessaire au cours du procédé complet defabrication.




V) Réalisation d'une diode :

Nous allons donner les principales étapes permettant de fabriquer une diode à jonction pn :

Figure 71 : Réalisation d'une diode

- nettoyage du substrat,

- oxydation épaisse humide pour fabriquer un masque de diffusion,

- photolithographie 1, d'ouverture de l'anode,

- implantation de Bore,

- diffusion-recuit d'implantation,

- oxydation thermique humide,

- photolithographie 2, d'ouverture de contacts,

- dépôt d'Aluminium,

- photolithographie 3, des contacts,

- recuit forming-gas,

- dépôt de verre de passivation (verre de Bore),

- photolithographie d'ouverture des "pads", non représentée sur la figure 71.

Dans cette énumération, l'opération de photolithographie d'ouverture de l'anode correspond àl'ensemble des opérations présentées dans la partie précédente.

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V) Procédé de fabrication d'un transistor bipolaire :

La réalisation d'un transistor bipolaire nécessite un plus grand nombre d'étapes que pour unediode en raison de la présence des trois zones d'émetteur, de base et de collecteur, maissurtout en raison des propriétés électriques que l'on souhaite avoir au niveau de la structure

finie. En effet, il faut tenir compte de contraintes dont notamment :

- la résistance de collecteur doit être la plus faible possible, il faut donc unezone de collecteur très dopée et un accès au collecteur enterré de faiblerésistance,

- la tenue en tension de la jonction collecteur-base doit être suffisammentgrande, il faut donc une zone de base faiblement dopée qui s'étendesuffisamment,

- la résistance de base doit être faible, afin de ne pas limiter la réponse en

fréquence (cf. schéma de Giaccoletto)

- les transistors doivent être isolés électriquement entre eux ; un oxyde desilicium localisé (LOCOS) sépare alors les structures,

- l'émetteur doit être très dopé,

- le dopage de la base intrinsèque parfaitement contrôlé ; avec le dopaged'émetteur, ils déterminent le gain du transistor.

Le procédé de fabrication va tenir compte de ces contraintes ; c'est ce qui explique la présenced'un collecteur enterré très dopé, d'une zone de base épitaxiée de dopage plus faible que la

base intrinsèque, etc...

Les principales étapes de fabrication sont les suivantes :

- nettoyage du substrat

- réalisation de la couche N+ de collecteur enterré comprenant l'oxydation, la

photolithographie d'oxyde, l'implantation de dopant de type N, le recuitd'implantation, la gravure de l'oxyde,



- épitaxie de la zone de base faiblement dopée,

- la réalisation des LOCOS (utilisation d'une couche de nitrure comme barrièrede diffusion),

- la réalisation de la base intrinsèque par implantation ionique (oxydation, photolithographie, implantation de Bore, gravure de l'oxyde, recuitd'implantation),

- la réalisation du puits d'accès au collecteur et de l'émetteur par implantationsioniques,

- l'oxydation d'isolation,

- l'ouverture des contact par photolithographie,

- la métallisation Aluminium,

- la photolithographie d'Aluminium.

Dans cette énumération, toutes les étapes ne sont pas détaillées. En les énumérant de façonexhaustive, pour ce procédé considéré simple et ancien, le nombre d'étapes élémentairesavoisinent les 200. Des procédés plus récents atteignent facilement 400 à 500 étapes. C'est cequi explique, notamment que le temps de fabrication est de l'ordre de 2 à 3 mois en fonctiondu degré de complexité.

VI) Procédé de fabrication des transistors bipolaires fortement intégrés

Le procédé précédent ne permet pas de réaliser des structures submicroniques. L'évolution destechnologies mettant en oeuvre autoalignement pour la réalisation de l'émetteur et de la baseextrinsèque grâce à l'utilisation de couche de Silicium polycristallin a permis d'atteindre desdimensions d'émetteur de 0,5 mm. La figure ci-dessous montre la coupe schématique d'unetelle structure.



Figure 72 : Structure bipolaire intégrée double poly (poly n et poly p)(d'après O. Bonnaud [16])

La couche de Silicium polycristallin dopée p+ permet de servir de source de dopant pour la base extrinsèque. Cette couche photo-gravée puis oxydée permet de réaliser des espaceurs quivont auto-aligner l'émetteur. Celui-ci est réalisé par diffusion du dopant depuis la couche deSilicium polycristallin dopé n+. Dans ces conditions, la surface de l'émetteur peut être une

fraction de m2.

VII) Technologie I2L (Integrated Injection Logic)

Cette technologie réservée à une famille logique est basée sur le principe d'aiguillage decourant. Un injecteur se comportant comme une source de courant est réalisé à partir d'untransistor pnp. Le collecteur de ce transistor injecte soit dans la base d'un transistor npnmulticollecteur soit dans un des collecteurs de l'étage élémentaire précédent.

Le schéma électrique du circuit logique est représenté sur la figure ci-dessous. On peutremarquer que :

- la base du transistor npn multicollecteur est aussi le collecteur du transistor pnp,

- l'émetteur du transistor npn multicollecteur peut être réalisé dans la mêmecouche que la base du transistor pnp.

Ces considérations permettent d'augmenter l'intégration. Le transistor bipolaire pnp est untransistor latéral comme représenté sur la coupe de la structure logique élémentaire. La

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réalisation effective n'a pu se faire que lorsque les techniques de photolithogravure ainsi quela maîtrise de la qualité des interfaces ont permis d'obtenir des transistors bipolaires latérauxavec des gains suffisamment élévés. Dans les circuits logiques complexes, le transistor pnpconstitue un rail d'alimentation pour une douzaine de transistors multi-émetteurs.

Figures 73 et 74 : Réprésentation schématique d'une cellule logiqueélémentaire en technologie bipolaire de type I2L.

VIII) Procédé de fabrication de transistors MOS

Avant de détailler les procédés de fabrication des transistors MOS, il peut être utile de

rappeler qu'il existe quatre types principaux de transistors dont les représentationschématiques et les caractéristiques électriques directe et de transfert sont regroupées ci-

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dessous.. Il s'agit des transistors NMOS à enrichissement ou à appauvrissement, qui sont aussirespectivement normalement non conducteurs ou normalement conducteurs (normally-off ounormally-on), et les transistors PMOS à enrichissement ou a appauvrissement.

Figure 75 : Réprésentation schématique d'un transistor NMOS àenrichissement ou normalement non conducteur. La tension de seuil est

positive.

Figure 76 : Réprésentation schématique d'un transistor NMOS àappauvrissement ou normalement conducteur. La tension de seuil estnégative.



Figure 77 : Réprésentation schématique d'un transistor PMOS àenrichissement ou normalement non conducteur. La tension de seuil est

négative.

Figure 78 : Réprésentation schématique d'un transistor PMOS àappauvrissement ou normalement conducteur. La tension de seuil est

positive.

) Procédé de fabrication d'un transistor MOS canal N

Il s'agit dans ce cas de réaliser des transistors MOS dans un même substrat. Nous allons dansun premier temps regarder un procédé simplifié de réalisation de transistors MOS à canal N àenrichissement. Cela signifie qu'il faut réaliser dans un substrat de type p qui constituera lazone de canal, les deux zones très dopées de type n qui constitueront les source et drain.L'oxyde de grille sur la zone de canal devra être de très bonne qualité électronique. La fin du

procédé consistera à réaliser les zones de contacts de grille, de source et de drain.

Nous verrons dans un deuxième temps un procédé plus élaboré et donc plus complexe deréalisation de transistors NMOS et PMOS en technologie CMOS.

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La succession des étapes principales de réalisation est la suivante :

- nettoyage du substrat,

- oxydation épaisse de masquage de dopage des source et drain,

- photolithogravure d'ouverture des source et drain,

- dopage au phosphore (diffusion ou implantation ionique),

- photolithogravure d'ouverture de la zone de canal,

- oxydation fine de l'oxyde de grille,

- ajustement de la tension de seuil par implantation ionique de Bore,

- photolithographie d'ouverture des contacts de source et de drain,

- dépôt d'aluminium,

- photolithogravure de l'aluminium,

- recuit final sous forming-gas (mélange d'azote et d'hydrogène à 10%) pouraméliorer les contacts.

Ce procédé très simple permet de réaliser des transistors MOS ; il correspond aux premiers procédés MOS mis en oeuvre industriellement au début des années 70. Compte tenu desdifférentes étapes de masquage nécessitant des alignements, pour diminuer les dimensions destransistors il a fallu trouver des méthodes permettant de positionner automatiquement leszones de source et drain par rapport à la grille. Ces technologies sont alors dites autoalignées.Le procédé CMOS suivant correspond à cette évolution.

X) Procédé de fabrication des transistors MOS canal N et P en technologieCMOS

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Il s'agit dans ce cas de réaliser simultanément sur un même substrat des transistors MOS àcanal N et des transistors MOS à canal P. Pour compléter les possibilités d'application, il estaussi fabriqué, au cours du même procédé et sur le même substrat, des capacités.

Il faudra ainsi tenir compte du fait, d'une part, que la zone de canal des deux types de

transistors est de dopage différent, et d'autre part, que les transistors doivent êtreélectriquement isolés au niveau du substrat. Ceci nécessite la réalisation d'un "puits" ou"caisson" de dopage pour la zone de canal de l'un des deux transistors ; dans le cas présenté, lecaisson est de type N et correspond donc à la zone de canal du PMOS. Le dopage des zonesde canal, qui ont une influence importante sur la tension de seuil des transistors MOS, sontajustés avec précision par implantation ionique de bore pour le PMOS et d'arsenic pour le

NMOS.

Les isolations sont réalisées à partir de LOCOS. Toutefois, afin d'éviter des courts-circuitssous ces LOCOS, il faudra réaliser des surdopages bloquant la création de canaux non désirés.Les impuretés dans les oxydes thermiques humides étant essentiellement de charge positive,

le blocage de ces transistors fictifs sera obtenu par un fort dopage au bore sous l'interfaceLOCOS/substrat. On dit que l'on réalise un "anti-canal".

Afin de réaliser des transistors à longueur de grille de très petite dimension, le procédé utilisel'autoalignement grâce à l'emploi de grille en silicium polycristallin.

Pour ces structures de très petite dimension, les lignes métalliques d'interconnexion et de prisede contact prennent de plus en plus d'importance. Dans le cas de piste en aluminium, des

passages de marche trop abruptes peuvent entraîner la coupure de la piste (fissure dans lacouche d'aluminium). Afin d'éviter ces coupures, on arrondit les marches en utilisant un verre(LTO, Low Temperature Oxide) suffisamment visqueux à des températures peu élevées (500-600°C) pour créer un fluage au niveau des ouvertures de contact. Ce verre peut être du PSG(Phospho-Silicon Glass) ou BPSG (Boro-Phospho-Silicon Glass). Ainsi, ce verre, après unrecuit autour de 600°C, permet une bonne continuité des couches d'aluminium déposées ensurface et donc des pistes après photolithogravure.

Dans un premier temps, une liste exhaustive des 49 principales opérations technologiques permettant la fabrication de ces structures est présentée. On a représenté en caractères grassoit les zons concernées, soit les groupes d'étapes du procédé. La figure 80 a) à i) qui suit,détaille par des schémas l'ensemble de ces opérations.

Substrat P <100> résistivité : 12 Ohms.cm (8 à 15)

Na = 1,1.1015 cm-3 (1,7 à 0,9)

1.- Nettoyage R.C.A.

2.- Oxyde piédestal 250 Å 950°C

3.- Dépôt de Si3N4 (LPCVD) 900 Å

4.- Recuit nitrure

5.- Photo 1 : ZONES ACTIVES



6.- Gravure R.I.E. du nitrure seul

7.- Photo 2 : CAISSON

8.- Implantation Phosphore 3,3.1012 cm-2 180 keV

9.- Retrait résine

10.- Recuit caisson 1200°C 150 mn

11.- Photo 3 : ANTICANAL

12.- Implantation BF2 cm-2 45 keV

13.- Oxydation localisée (LOCOS) 6500 Å

(optimisée : minimisation des becs d'oiseaux)

14.- Gravure O.N.O. (oxyde - nitrure - oxyde) R.I.E.

15.- Oxydation "sacrificielle"

Désoxydation

16.- Oxydation M.O.S. (oxyde de grille) 250 Å

17.- Implantation de Bore (pleine plaque) 6,5.1011 cm-2 25 keVl'ajustement de la tension de seuil des PMOS et NMOS donne :

PMOS : Vt = -1,2 V -0,6 V

NMOS : Vt = 0, .. V +0,6 V

18.- Dépôt de résine face avant

Désoxydation face arrière

19.- Dépôt de Si-Poly (grille) LPCVD 4200 Å

20.- Dopage du Si-Poly POCl3 950 °C 44 mn

21.- Dépôt de WSi2 par copulvérisation

22.- Recuit Flash (pour former le siliciure) 900°C

23.- Photo 4 : GRILLE POLY

24.- Gravure R.I.E. du "Polycide"



25.- Retrait résine

26.- Oxydation de la grille Si-Poly 500 Å 1000°C 60 mn

(oxyde des capacités) (20% H2O ?)

27.- Photo 5 : DRAIN - SOURCE NMOS

28.- Implantation d'Arsenic 4.1015 cm-2 180 keV


30.- Photo 6 : DRAIN - SOURCE PMOS

31.- Implantation de Bore 2.1015 cm-2 30 keV

32. Retrait résine

33.- Dépôt Si-Poly 2 (LPCVD) 4300 Å

34.- Dopage Si-Poly 2 : implantation de Phosphore 5.1015 cm-2 110 keV

35.- Recuit d'implantation 800°C 30 mn N2

36.- Photo - Si-Poly 2

37.- Dépôt d'oxyde L.T.O. "PSE standard"

non dopé : 1000 Å

+ dopé Phosphore 7 à 8 % : 7000 Å

38.- Densification du L.T.O. 650°C

39.- Photo 7 : GRAVURE DES CONTACTS

40.- Gravure de l'oxyde R.I.E.


42.- Recuit Flash (fluage LTO) 1170°C 20 sec. N2

43.- Dépôt d'Aluminium-Silicium

44.- Photo 8 : GRAVURE ALU

45.- Gravure de l'Aluminium R.I.E.

46.- Recuit des interconnexions Al - Si



47.- Dépôt d'oxyde de passivation : PECVD non dopé 10000 Å

48.- Photo 9 : OUVERTURE DES PLOTS DE SORTIE

49.- Gravure de l'oxyde de passivation R.I.E.

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/chap11k.htm

le silicium existe en grande quantité à la surface du globe terrestre

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