CMOS Technology : part 2

1. CMOS Technology: part 2 C. Fenouillet-Beranger SOI Devices Engineer, CEA/LETI & STMicroelectronics, Crolles

2. Plan • Introduction • Voir Cours précédent • Chapitre 1: Les outils technologiques de base • Oxidation • Dépôt • Photo-lithographie • Gravure (sèche et humide) • Implantation ionique • L’epitaxie • Chapitre 2 : Exemple de filiere moderne • Objectif de l’integration • Enchainement des étapes technologiques

3. Ingénieur Filière Etapes Elementaires (process/ R&D) Photo/Litho Gravure Dépôts Assemblage Caractérisation Implantation Recuits Nettoyages (Physique, Chimie)

4. Materiaux (phys/chimie) Phys. Compo Electronique, Marketing, Design Procédés Elementaires Definition d’une technologie Design de produit Phys. Compo Conception dispositif Fabrication Phys. Compo Phys. Compo, Phys. Fond Caracterisation Physique fine Materiau, Gestion Production

5. Chapitre 1 : Les étapes technologiques de base

6. Les familles de matériaux utilisés en microelectronique

7. Isolants : SiO2 et Si3N4

8. L’Oxydation thermique SiO2 O2 Si Si Si Recuit four Oxyde SiO2 « thermique » En surface T=900-1000°C

9. Les dépôts d’isolants • Réacteur de dépôt CVD pour oxyde (TEOS) ou Nitrure (Si3N4) • Four à basse pression (LPCVD) • Assisté par plasma (PECVD) precurseur SiO2 ou Si3N4 Si Si Four : 700°C Plasma : 500°C

10. Exemples de réactions chimiques permettant un dépôt

11. La conformité des dépôts SiO2 SiO2 Si Si Si3N4 Si3N4 e1 e1 e2 e2 e1 e1 e1 =e2 e1 < > e2 Dépôt non-conforme Dépôt conforme

12. Propriétés des matériaux

13. Le polissage mecano-chimique (CMP)

14. Polissage Mecano Chimique (CMP) Objectif : aplanir une surface Pad Slurry

15. Polissage Mecano Chimique (CMP) Action mecanique Reaction chimique Surface plane • La planarisation depend beaucoup de l’environnement et de la taille des structures a planariser. Dans la pratique le design d’un circuit tient compte de cette necessité. • Cette technique permet d’obtenir un grand nombre de niveau de metalisation en evitant les topographies importantes

16. Lithographie

17. Du Layout au Silicium : Masques et Lithographie Grossièrement, on emploie des lentilles pour manipuler la lumière afin de la focaliser, la réduire et graver le wafer à partir du masque.

18. Photo-lithographie (1) • Permet de déposer de la resine (polymère) sur une zone de Si afin de la protéger UV (248nm ou 193nm) Zone fragile masque résine résine résine Si Si Si

19. Photo-lithographie (2) developpeur Zone non-protégée résine résine Si Si Zone protégée

20. Les problèmes liés à la résine Le facteur de forme, ou aspect ratio AR = h/CD Si AR > Armax (~100) la resine dévelopée se deforme (effet gravitationnel) CD h Si Si Si deformation collapse

21. Exemples de lithographie Photo correcte Résine « collapse » resine Silicium

22. Les limites de la photo-lithographieoptique L’alignement des masques les uns par rapport aux autres (notion d’overlay) Erreur d’alignement 2 niveaux Erreur d’alignement 3 niveaux

23. Lithographie ebeam • Lithgraphie par faisceau d’electron • Par rapport à la photolithographie, l'avantage de cette technique est qu'elle permet de repousser les limites de la diffraction de la lumière et de dessiner des motifs avec une résolution pouvant aller jusqu'au nanomètre (typiquement 20nm) • Procédé long par rapport à la projection de masque car écriture des motifs

24. Scanner à immersion • La lithographie par immersion consiste à placer le wafer dans un bain liquide qui a un indice de réfraction supérieur à 1 • Le liquide agit donc comme une lentille ou une loupe en grossissant l’apparence du wafer. Le principe est le même que pour la lithographie sèche, il s’agit de focaliser la lumière pour accroître la finesse de gravure. • La photolithographie par immersion permet de plus facilement augmenter la finesse de gravure • Les machines sont chères

25. Extreme UV • La lithographie EUV (Extreme Ultra Violet) est similaire aux procédés de lithographie classiques actuels • Rayonnement UV d'une longueur d'ondes de l'ordre de 10 à 15 nanomètres (le rayonnement EUV entre donc dans la gamme des rayons X-mous), en remplaçant les objectifs (ou masques dits « en transmission ») par une série de miroirs de précision (i.e. masques dits « en réflexion ») • - Il permet ainsi une résolution inférieure à 45 nm

26. Gravure sèche et humide

27. La gravure « sèche » • L’objectif est d’enlever un matériau A selectivement par rapport a un matériau B à l’aide d’un plasma (reaction chimique et physique) Ions HBr, CF4,O2 .. Après gravure Après élimination résine E résine résine Si Si Si Résidus de gravure (produits des réactions chimiques) V

28. Exemple Si3N4 SiO2 Si Si Si Tranchée Si

29. Gravure chimique & physique

30. Comment s’arrête une gravure sèche ? molécules temps Au temps… A la DFA (détection de fin d’attaque) Au temps et à la selectivité Gravure ionique Gravure ionique Gravure ionique Si3N4 Si3N4 Si3N4 SiO2 SiO2 SiO2 Si Si Si Critere de fin de gravure Molecules de SiO2 Si3N4 Si3N4 Si3N4 p p p SiO2 SiO2 SiO2 Si Si Si p = vitesse gravure x temps Si derive procédé  surgravure, sous gravure…adapté pour les gravure longues (t>>10s) Ex : Gravure selective 1000:1 de Si3N4/SiO2 Si derive procédé  SiO2 se grave 1000 fois moins vite que Si3N4, donc p reste constant Ex : on arrête la gravure lorsque l’on detecte les premieres molécules de SiO2. Le temps n’intervient plus.

31. Les différents types de gravures sèches Anisotrope Isotrope Gravure ionique Gravure ionique Si3N4 Si3N4 SiO2 SiO2 Si Si Si3N4 Si3N4 SiO2 SiO2 Si Si

32. Exemples de gravures usuelles

33. Nettoyage et Gravure Humide But : préparer une surface pour un dépôt, enlever des particules ou polymeres résiduel ou retirer de manière isotrope un matériau X Moyen : attaque chimique (liquide)

34. Exemple : Principe du SC1 • Mélange de NH4OH/H2O2/H2O pour un retrait de particules • Mecanisme = Oxydation, gravure et repulsion • Oxydation du Si par H2O2 • Gravure de la couche formée par les ions OH- • Répulsion électrosatique des particules • Polarisation négative des particules et de la surface par les ions hydroxydes • Formation d’une couche de chage opposée dans le liquide • Ecran électrostatique + + H2O2 NH4OH H2O2 + - particule - SiO2 - - + + + + + + + + + + Si Si Si ------------- Si Particule adsorbée Particule adsorbée Gravure SiO2

35. Exemples et equipements HF Dilué

36. Exemple de combinaison litho-gravure : La gravure grille But: definir la grille du transitor Litho Gravure Nettoyage CD grille Poly-Si DFA SiO2 Si Si Si Gravure Nettoyage Ex. : resine trop fine CD grille Si Si Si

37. Exemple de gravure Grille Poly-Si Si

38. Implantation Ionique et Activation

39. L’implantation Ionique : Principe 2eme filtrage par fente Contrôle l’energie des ions Evite la contamination energetique et de dose Spectro de masse courant Mesure In-situ de la dose Ou deceleration Ex:PH3 PH+ P+ P++ ..

40. L’implantation Ionique : Principe Objectif : definir les zones de dopants utilisée dans le fonctionnement du transistor Moyen : Implantation d’espece de type donneur ou accepteur sous forme d’ions accélérés par un champs électrique

41. Energie et dose des dopants usuels Note : ordre de grandeur pour un transistor de longeur < 100 nm LDD = Lightly Doped Drain ; HDD = Heavy Doped Drain

42. Exemple d’implantations typiques As 1e15 1keV As 2e15 15keV Concentration (at/cm 3) P 6e13 20keV B 3e12 8keV X (nm)

43. Pouvoir d’arrêt ions resine Si

44. L’activation des dopants

45. Les recuits d’activation et de diffusion

46. Diffusion

47. Conclusion

48. Les « Combos » usuels  • Etapes de dépôts et d’oxydation thermique • Nettoyage  Dépôt  Mesure d’épaisseur (ellipsométrie) • Etapes de photo-lithographie/Gravure • Photo  mesure CD/overlay  gravure  mesure d’épaisseur du matériaux servant à la DFA  nettoyage résine  mesure CD • Etapes de gravure seule • Gravure  nettoyage résidus  mesure CD  mesure mat. DFA • Etapes d’implantations • Lithographie  implantation  retrait resine • Etapes de recuit • Nettoyage  Four

49. Chapitre 2 : Exemple de Filière Moderne

50. Matériau de départ • Les tranches proviennent de fournisseurs sélectionnés • Un lingot est constitué à partir de silicium hautement purifié. • Procédé Czochralski: croissance de cristaux monocristallins de grande dimension (plusieurs centimètres). • - Principe de solidification dirigée à partir d'un germe monocristallin de petite taille. Matériau fondu à une température juste au-dessus du point de fusion, avec un gradient de température contrôlé. • - Le germe est placé dans une « navette » suspendue au-dessus du liquide par une tige.- - Le liquide se solidifie sur le germe en gardant la même organisation cristalline (épitaxie) au fur et à mesure que l'on tire le germe vers le haut tout en le faisant tourner (à vitesse très lente). • - L'opération se passe sous atmosphère neutre (argon ou azote) pour éviter l'oxydation. • Des coupes transversales du lingot sont pratiquées pour former les tranches.