1. L`hydrophobie du Silicium
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Elec2 Année Scolaire 2006-2007 Contrôle préparatoire aux TPs MINATEC GENDRE Laurent Table des matières : Introduction ................................................................................................................................ 3 1. L’hydrophobie du Silicium ................................................................................................ 3 2. Etapes technologiques de fabrication d’un transistor NMOS dans un substrat P .............. 3 3. Repérage des transistors Q10, Q11, Q13 et Q14 ................................................................ 5 4. Procédé de photolithographie ............................................................................................. 6 Conclusion .................................................................................................................................. 7 2 Introduction Dans le cadre des TPs MINATEC organisés par l’école polytechnique au CIME à Grenoble, nous avons à préparer un document visant à répondre aux questions principales concernant ces TPs : 1. Le silicium est-il hydrophobe ou hydrophile ? il y a-t-il un intérêt à le savoir ? 2. Quelles sont les différentes étapes technologiques qui permettent de fabriquer un transistor NMOS dans un substrat P ? 3. Sur le plan de la page 35 repérez les transistors Q10 Q11 Q13 et Q14. Indiquez les n° de plots des drains, sources et grilles. 4. Décrivez un procédé de photolithographie. 1. L’hydrophobie du Silicium Le Silicium est un élément de très grande importance de nos jours car ses propriétés de semi-conducteur ne sont plus à démontrer. Il possède en fait un caractère hydrophobe, c'est-à-dire qu’il n’est pas soluble dans l’eau. Cette propriété du Silicium est intéressante puisque lors d’une gravure d’oxyde, la fin de la gravure se fait par observation de l’hydrophobie des plaques. En effet, la surface du Silicium est hydrophobe tandis que celle de l’oxyde ne l’est pas. Ainsi, pendant la gravure, lorsque l’on retire les plaques du bain de gravure, il suffit de vérifier (par exemple sur la partie adhoc du motif central) si du liquide adhère à la plaque. S’il n’y a plus de liquide sur la plaque, on dit que « le Silicium est a nu » et on peut alors arrêter la gravure mais il est plus intéressant d’effectuer une surgravure de quelques secondes pour avoir une meilleure qualité de gravure. 2. Etapes technologiques de fabrication d’un transistor NMOS dans un substrat P Le principe de création d’un transistor NMOS dans un substrat P est basé sur 4 masques. Les différentes étapes de création sont : substrat, nettoyage, oxydation, photogravure (masque 1), diffusion, redistribution, photogravure (m. 2), oxydation de grille, photogravure (m. 3), métallisation, photogravure (m. 4) et couche d’oxyde. Le procédé de fabrication utilisé par cette technologie est complexe et dépend du fondeur, nous allons donc restreindre notre étude aux étapes essentielles. 3 Généralement dans une technologie de circuits intégrés, on commence par une tranche de Silicium (Wafer) sur laquelle on a déjà déposé une couche épaisse d’oxyde. La première étape consiste à définir les régions où seront formées les couches fines d’oxyde qui sont nécessaires pour réaliser les grilles des transistors. La couche épaisse d’oxyde est alors gravée jusqu’au substrat dans les régions où le transistor à canal n sera réalisé. Les couches fines sont alors crées par oxydation du silicium. Dans la seconde étape, la grille en polysilicium est formée. Cette étape consiste à recouvrir le matériau de polysilicium puis à faire une gravure pour enlever l’essentiel de cette couche de façon à ne laisser que les régions qui vont servir comme grille pour le transistor. Dans l’étape suivante, le transistor de type n est défini. Une diffusion localisée d’impuretés de type donneur telle le phosphore, va former le drain et la source du transistor à canal n, cette région est appelée région de diffusion n+. Les étapes précédentes ont permis de réaliser un transistor de type n dans un substrat. L’étape qui suit consiste à définir les lieux où un contact sera réalisé. La couche d’oxyde est alors gravée jusqu’aux surfaces sur lesquelles sera pris un contact métallique. Cette étape est suivie par une métallisation pour former ces contacts métalliques ainsi que les pistes d’interconnexions. Le nombre de niveaux de métal diffère d’une technologie à une autre, plus il y a de niveaux de métal, plus le concepteur a de facilités pour réaliser les connections entre les composants dans le circuit intégré. L’étape finale consiste à recouvrir le circuit d’une couche de passivation (une couche d'oxyde) et à réaliser des ouvertures pour les différents plots du circuit intégré. La couche de passivation est nécessaire puisqu’elle permet de protéger le silicium d’une contamination par des impuretés qui peuvent affecter le composant. Figure 1 Vue en coupe du transistor NMOS 4 3. Repérage des transistors Q10, Q11, Q13 et Q14 Q10 : MOS L=33um, W=100um Q11 : MOS L=35um, W=12um Q13 : MOS L=10um, W=100um Q14 : MOS L=10um, W=2*500um W/L=3 W/L=1/3 W/L=10 W/L=100 zone B3 zone B3 zone C3 zone C3 règle N règle N règle N règle N plots 1 - 3 – 5 plots 5 - 7 – 9 plots 5 - 6 – 8/9 plots 1 – 2/3 – 5 Figure 2 Masque du motif central Repérage : Zone B3 : Q10 : source plot 1, grille plot 3, drain plot 5 Zone B3 : Q11 : source plot 5, grille plot 7, drain plot 9 Zone C3 : Q13 : source plot 5, grille plot 6, drain plot 8/9 Zone C3 : Q14 : source plot 1, grille plot 2/3, drain plot 5 5 4. Procédé de photolithographie Figure 3 Principe de la photolithogravure Le procédé de la photolithogravure se décompose en plusieurs étapes : Nettoyage du Silicium Oxydation Enduction de résine photosensible Précuisson de la résine Alignement des masques par contact Insolation UV Développement de la résine Rinçage – Séchage Cuisson de la résine Gravure de l’oxyde (à l’acide fluoridrique) Rinçage – Séchage Décalage (suppression de la résine non exposée) Rinçage - Séchage Ce qu’il faut retenir : on expose d’abord le wafer à du dioxygène pur après chauffage pour fabriquer une couche d'oxyde (isolant) en surface, ensuite le wafer est recouvert d'un vernis photosensible. On transfère ensuite le dessin du circuit à reproduire sur la surface photosensible à l'aide d'un masque, comme pour la peinture au pochoir, en l'exposant aux ultraviolets, (ou aux rayons X, pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnements est dissout grâce à un solvant spécifique. L'oxyde de silicium est donc protégé par le vernis aux endroits exposés aux ultraviolets. Un agent corrosif va creuser la couche d'oxyde aux endroits non protégés. On dissout ensuite le vernis exposé avec un autre solvant, et des ions 6 métalliques, appelés dopants, sont introduits dans le silicium exposé là où l'oxyde a été creusé, afin de le rendre conducteur. Conclusion Cette étude préalable au TP qui se déroulera au CIME de Grenoble m’a permis de comprendre en détail les différentes étapes de création d’un transistor ainsi que certaines autres caractéristiques. La question 3 met par contre l’accent sur le motif central et la disposition des transistors. 7
