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COMPTE RENDU DES TRAVAUX PRATIQUES DANS LA SALLE BLANCHE DU CIME-nanotech

Réalisation d'une Jonction PN

MASTER 2 EEATS: Nanoélectronique et Nanotechnologies

Préparé par: SERHAN Ayssar

MERSNI Hishem

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Objectif

L'objectif de ce TP est de nous sensibiliser au travail en salle blanche, le travail demandé est de réaliser une jonction PN sur un substrat de silicium afin de pratiquer les théories d'élaboration des circuits intégrés que nous avons déjà appris dans le cours d'ECI.

Sommaire I - Description générale de l'infrastructure des salles blanches.

II - Nettoyage du substrat.

III - Oxydation thermique .

IV – Photolithographie.

V - Vérification et contrôle de qualité (Lift-Off).

VI - Dopage par implantation ionique.

VII - Métallisation par pulvérisation cathodique.

VIII - Gravure du métal. IX - Contrôle au profilomètre

Références bibliographiques

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I - Description générale de l'infrastructure des salles blanches

Une infrastructure de salles blanches typique pour la microélectronique possède les caractéristiques principales suivantes: l'air ambiant y est filtré de façon très rigoureuse de manière à éliminer le plus possible les particules (poussières) qui pourraient causer l'apparition de défauts dans les micro et nano dispositifs. Pour obtenir le degré de dépoussièrement voulu, l'air circule régulièrement à travers des filtres hautement performants. Typiquement, pour un environnement de classe 100, le volume complet de l'air des salles blanches est filtré toutes les deux minutes environ , elle est dotée d'un système sophistiqué de filtration d'eau produisant, à partir de l'eau de ville, une eau dé ionisée essentielle à la réalisation de nombreux procédés. Le degré de pureté de l'eau dé ionisée est établi à partir d'une mesure de sa résistivité. Une valeur de 18 MΩ/Cm pour ce paramètre représente des conditions idéales , elle est munie d'une gamme de réseaux d'approvisionnement en divers gaz, eau, succion, extraction de l'air pour les hottes ventilées, et système de neutralisation des déchets liquides contenants des acides ou bases , elle est équipée d'un système d'alarme spécifique qui détecte les fuites éventuelles de gaz toxiques utilisés dans certains procédés. Donc, avant d'entrer dans la salle blanche il est obligatoire de prendre des précautions pour garder la pureté de la salle afin d'éviter la présence des poussières.

Station de filtrage d'eau Station de traitement d'air

Sas d'habillages précaution lors du travail

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II - Nettoyage du substrat

Le substrat avec lequel nous avons travaillé est déjà passé par une étape d'oxydation, il est très important de le nettoyer afin d'éliminer l’oxyde natif déposé lors de l’étape précédente et pour obtenir une surface Si propre qui permet la croissance d'une couche d'oxyde homogène en épaisseur pendant l'étape suivante. Pour cela on place le wafer dans une solution HF dilué à 5% et après on met le wafer dans un bac de rinçage pour arrêter la réaction puis dans un bain d'eau dans lequel on peut contrôler la pureté en relève le wafer lorsque la résistivité atteint 15 MΩ ,après on met le wafer dans une solution de H202/H2S04, nous allons faire une oxydation de la surface, Ensuite on fait une seconde attaque avec l’HF pour éliminer l’oxyde formé par l’attaque H202/H2S04.

Attaque avec HF (5%) dans le bac de rinçage

Bain d'eau purifié Attaque avec H2O2/H2SO4 Apres nettoyage de wafer il est impératif de passer le wafer dans une centrifugeuse pour le sécher, après cette étape le wafer devient prêt de passer vers la deuxième étape.

Wafer dans le support de sécheur Séchage dans une centrifugeuse

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III - Oxydation thermique

Cette étape a été réalisée par le personnel de CIME. Elle consiste à nettoyer la surface de la plaquette pour réaliser une oxydation thermique permettant de former un oxyde SiO

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masquage » protège l’ensemble de la plaquette. Par photogravure on y ouvre les différentes « fenêtres » nécessaires aux étapes ultérieures du process (oxydation mince, ouvertures de contact,…).

Placement de wafer dans le four a quartz

L’oxydation est réalisée à l’aide d’une installation qui permet de soumettre les plaquettes à un cycle de température sous atmosphère contrôlée. Le cycle thermique sous atmosphère contrôlée est étudié de manière à ce que l’oxydation se fasse dans les meilleures conditions. L'oxydation proprement dite s'effectue dans un four de quartz il y a donc :

Disposition des plaquettes de travail Définition des conditions d’oxydation à l’aide d’un automate programmable (régulation PID de la température à environ 950°C)

entrée automatique de la nacelle dans le four sous flux d’azote temps d’oxydation temps de recuit sous azote (diminution des charges fixes dans

l’oxyde) sortie de la nacelle sous flux d’azote.

Couche d'oxyde de masquage

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IV - Photolithographie La photolithographie est le processus de transfert de formes géométrique d’un masque sur une fine couche de matériaux photosensibles (résines photorésistantes) qui recouvrent un wafer de semi-conducteur. La photolithographie utilise la résine photosensible qui s'enlève s'il est exposée à la lumière UV, de même ce résine reste intact durant le contact avec l'acide. La première étape dans la photolithographie consiste à déposer la résine photosensible au dessus de wafer puis de chauffer le wafer sur 120 pour sécher la résine le chauffage de résine dure 2 min 30, ensuite on met un masque au dessus de wafer (le masque est composé d'encre noire qui empêche le passage de l'UV dans les régions ou on souhaite garder le résine et des régions transparents qui sont les zone actifs), on expose le wafer sous l'UV l'ultra violet, la résine attaquée par l'UV sera éliminée lorsque on met le wafer dans un développeur qui est généralement l'acide sulfurique, la durée de développement est à peut prés 1 mn 30, Il faut bien réduire le temps dans l'HF pour éviter l'augmentation de la dimension des cellules, la fin d'attaque est caractérisée par un changement de couleur. Les étapes de photolithographie

Etalement de résine séchage de résine

Chargement du masque n*6 chargement du substrat

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Réglage d'alignement (motif, masque) exposition sous ultraviolet

Développement de la résine retrait de la résine

V - Vérification et contrôle de qualité (Lift-Off)

L'utilisation de plusieurs masques lors de la fabrication d'un circuit évoque des erreurs d'auto-alignement qui sont due a la rotation ou a la translation du masque pendant le processus, ces erreurs dépendent de la machine utilisée dans la photolithographie et lors de la conception du masque. Pour cette raison il faut toujours vérifier la gravure (alignement entre masque et motif, consommation de l'oxyde), pour cela on passe par une étape de vérification et de contrôle de qualité, dans cette étape on vérifie à l'aide d'un microscope touts les principaux points du motif (croix d'alignement) pour être sur que l'alignement de masque et la gravure de régions se passent avec succès.

Vérification et contrôle de qualité

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VI - Dopage par implantation ionique

Pour crée la région N+ de la diode il faut toujours passer par un processus qui s'appelle diffusion (diffusion d'une région N+ dans la région P+), le but de la diffusion est de modifier les caractéristiques électriques du réseau cristallin en introduisant des atomes d'impuretés dans ce réseau puisque la région souhaitée est de type N, il est nécessaire d'utiliser des atomes pentavalentes tel que le phosphore ou l'arsenic, dans notre TP on est utilisé le phosphore.

Il y a plusieurs méthodes pour réaliser la diffusion mais l'implantation ionique est le choix le plus bon dans le cas ou on veut diffuser des régions de petites dimensions comme dans le cas de la diode.

Cette méthode est basée sur l'envoi des atomes dopant ionisés sous hautes tension sur la surface du wafer, ceci permet de bien contrôler les atomes dopant à pénétrer dans le Si, avant recuit de wafer les atomes n’ont pas trouvé leur place dans le SI et dans ce cas on parle d’impuretés.

Après un recuit d’activation, ces impuretés trouvent leur place dans le Si et dans ce cas on parle alors du dopant et donc une étape de recuit thermique est indispensable après l’étape d’implantation ionique, ceci afin d’apporter l’énergie nécessaire pour la recristallisation du substrat et pour la redistribution des atomes de bore dans les sites substitutionnels du réseau afin de les rendre électriquement actifs.

La technique d’implantation ionique permet de localiser dans les trois dimensions les zones dopées. Un masquage assure le positionnement en x et y, l’énergie de bombardement définit le z. Le dopage obtenu est en fonction:

• De la dose de dopants (exprimée généralement en atomes/cm²). • De l’énergie de bombardement (exprimée en ke V).

Dans notre TP l'énergie de bombardement a été égale a 200 KeV et le recuit d'activation dans le four à 950°C pendant 20 mn permet d’activer les atomes dopants injecté sur le wafer, Cette étape a été réalisée par le personnel de CIME.

a - Description de l'implanteur

• source: c'est la source d'atome dopant entrant dans l'implanteur. • Chambre d'ionisation : dans laquelle les atomes dopant sont ionisés.

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• Accélérateur : les ions dans l'accélérateur acquis de l'énergie sous

forme d'énergie cinétique pour pénètre dans le Si (énergie de bombardement).

• Chambre magnétique: la présence des aiment augmente l'énergie d'ionisation de l'atome.

• Lentilles électrostatique : font le confinement des ions dans la direction de tube.

• Balayage X et Y: pour le réglage d'angle d'incidence du flux d'atomes.

• Plaquette : sur laquelle le substrat doit être attaché.

• Feed-back et contrôle : contrôle de balayage, de confinement et de la dose de dopage.

Schéma de l'implanteur utilise dans le dopage

b - Comment on peut savoir le nombre des atomes dopant qui pénètrent dans le substrat ?

Précision de dose de dopage placement du substrat

La dose de dopage a été fixée dans la configuration de l'implanteur, le choix de la dose du dopage dépend de la concentration d'atome dopant souhaitée par le fondeur.

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Les atomes ionises tel que les P+ seront dévié, elles attaquent la plaque sur laquelle se trouve le wafer, cette plaque est liée a la masse donc chaque atome P+ attaque la plaque va attirer un électron se qui nous permet de mesurer le courant qui passe a travers la masse et par suite la valeur du courant nous permet de calculer le nombre des électrons qui passe a travers la masse

(Q= et =

) avec Q est la quantité de charge totale qui traverse la

masse, I qui traverse la masse, q est la quantité de charge pour un électron, n est le nombre des électrons qui traverse la masse qui est équivalent avec le nombre des atomes P+ qui attaquent la plaque.

Lorsque la valeur de n devient égale avec la valeur de dose de dopage (nombre d'atome d'impureté que l'on doit injecter dans le substrat) l'implanter s'arrêt et le processus de dopage se termine.

VII - Métallisation par pulvérisation cathodique

Cette opération consiste à déposer sur la face avant de la plaquette une couche d’aluminium de 5000Å environ, obtenue par pulvérisation cathodique ou par évaporation thermique. Dans les deux cas, il est nécessaire d’avoir un vide suffisant dans l’enceinte pour garantir la pureté de la couche métallique déposée. La pulvérisation cathodique est une technique de dépôt en phase plasma permettant la formation de couches minces par éjection d’atomes d’un matériau cible lors d’un bombardement par des ions de gaz rares accélérés sous haute tension.

Schéma de principe de la pulvérisation cathodique

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Machine de la pulvérisation cathodique Le métal utilise pour les contacts est l'aluminium, il est obligatoire de faire le recuit d'aluminium pour permettre la constitution d'un alliage Al – Si qui favorise le contact ohmique entre l'aluminium et le silicium et bloque la diffusion de l'aluminium dans le silicium et aussi permet une liaison entre le SiO2 et l'aluminium.

VIII - Gravure du métal

Cette étape est précédée par une étape de photolithographie qui est presque même que l'étape que l'on ai déjà utilise avec l'oxyde dans le cas de gravure de la zone active de PN, mais pour l'aluminium il faut que Le bain d’attaque de l’aluminium doit être parfaitement homogène. Dans ce but, on le plonge dans le bac à ultra-sons avant de commencer le dépôt de la résine. L’attaque de l’aluminium sera poursuivie pendant 20 ou 30 secondes au-delà de l’instant où tous les motifs de la tranche seront apparus. Il faut donc agiter le wafer dans le bain et en même temps il faut suivre l'évolution sur la face arrière du wafer, lorsque cette face commence à être séchée on attend 20 à 30 secs puis on note le temps de réaction.

Fin de réaction L'épaisseur est mesurée une deuxième fois à l’aide du profilomètre puis reportées pour le comparer avec l'épaisseur obtenu par calcule.

À chaque fois il faut qu'on remarque le séchage du wafer pour connaitre la fin de gravure et on note maintenant le temps de réaction et on calcule l'épaisseur de la couche en utilisant les données affiché sur la feuille dans le laboratoire (taux de consommation de l'aluminium).

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IX - Contrôle au profilomètre Le profilomètre est un appareil qui possède une pointe en métal très sensible aux variations en hauteur et exerçant une pression infime. On peut ainsi mesurer avec précision la hauteur. Nous avons mesuré une hauteur de 4,28 µm pour la résine (valeur proche de la valeur obtenue par calcule de l'épaisseur à partir du temps de réaction de retrait) Il existe deux techniques de gravure : la gravure sèche et la gravure chimique. La première utilise des plasmas froids alors que la seconde utilise des acides. Dans notre TP nous avons utilisé la technique de gravure humide nous avons utilisé une solution de H20 / H3PO4 / H202 dite oxydante- désoxydante pendant une durée de 3min21.

Mesure profilometrie de l'épaisseur de la couche de résine

Courbure de surface de l'aluminium Consommation partiel de couche gravée

Les résultats obtenus par profilometrie est presque les mêmes avec celle qui sont obtenus par calcule à partir de durée de réaction et de taux de consommation de différente couche les valeurs obtenus sont présentées dans le tableau si dessous qui résume les mesures qu'on a déjà effectue par calcule et on a maintenant les vérifiée par profilometrie.

Les valeurs obtenus par profilometrie avec ± de différence avec les valeurs obtenus par calcule.

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Conclusion

Ce TP est en adéquation avec les activités de recherche relevant du domaine de nanotechnologies silicium donc il nous sensible à la complexité des moyens mis en ouvre dans la réalisation d'objets et le développement de dispositifs électroniques nanométriques. De plus ce TP nous permet de découvrir l'environnement d'une salle blanche et de nous initier à l'utilisation de technologies de fabrication ( aligneur, UV, four, implanteur ..).

Références bibliographiques

[1] polycopie "Elaboration des circuits intégrés"

[2] http://www.youtube.com/watch?v=6zh4lIQtNCI

[3] http://www.cime.inpg.fr/images/caracterisation/

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