Epitaxie du Silicium

Epitaxie du Silicium
Une couche épitaxiée peut être dopée par l’introduction volontaire de dopants au cours
de la croissance. Les dopages obtenus peuvent être très élevés (1019 at/cm3) ou très
faibles (1014 at/cm3). C’est précisément le grand intérêt de l’épitaxie de Si de pouvoir
fournir des couches de silicium faiblement dopées sur un substrat qui lui peut être
fortement dopé.
Si la couche de Si présente un type de conductivité opposé à celui du substrat, elle peut
servir de couche d
d’isolation
isolation grâce à la jonction obtenue.
obtenue Enfin,
Enfin ll’épitaxie
épitaxie peut être
localisée. Toutes ces caractéristiques font qu’une couche de silicium dopé épitaxiée peut
jouer le rôle de zone d’intégration en surface des composants.
En technologie bipolaire, les collecteurs
des différents transistors sont réalisés
dans une couche de Si épitaxié de faible
dopage, ce qui permet d’obtenir de fortes
tensions de claquage. Il est également
possible d
d’épitaxier
épitaxier cette couche après
avoir fortement dopé certaines régions
du substrat, ce qui permet l’obtention de
zones enterrées conductrices.
Epitaxie du Silicium
L’épitaxie de Silicium se réalise dans la gamme de températures 900°C – 1200°C, par
réduction ou décomposition d’espèces gazeuses entraînées par un gaz vecteur (azote,
hydrogène, …). Les composés gazeux utilisés sont le tétrachlorure de Silicium (SiCl4), le
dichlorosilane (SiH2Cl2), le trichlorosilane (SiHCl3) et le silane (SiH4). Les réactions
chimiques aboutissant la formation de silicium sont :
• des réactions de réduction : SiCl4 (g) + 2H2 (g) Si (s) + 4 HCl (g)
SiHCl3 (g) + H2 (g) Si (s) + 3 HCl (g)
• des réactions de décomposition thermique : d é ti
d dé
iti th
i
SiH2Cl2 (g) Si (s) + 2 HCl (g)
SiH4 (g) Si (s) + 2 H2 (g)
Epitaxie du Silicium
Dépôt CVD à pression atmosphérique
La croissance épitaxiale du silicium se réalise dans un réacteur constitué par une chambre
de réaction en quartz, avec à l’intérieur un suscepteur, support de graphite recouvert de
SiC sur lequel
SiC,
l
l les
l substrats
b t t sontt positionnés.
iti
é Les
L gaz injectés
i j té dans
d
l chambre
la
h b de
d réaction
é ti
réagissent au niveau du suscepteur qui est chauffé par induction HF. Ce type de chauffage
laisse les parois de l’enceinte froides (réacteur à « mur froid »). Pour assurer une bonne
homogénéité des flux gazeux au voisinage du substrat,
substrat le suscepteur est légèrement
incliné.
Epitaxie du Silicium
Trois géométries de suscepteur sont couramment utilisées, fournissant l’appellation du type de réacteur : Réacteur vertical (pancake)
Réacteur horizontal
Réacteur cloche (barrel)
Dans ce cas, le chauffage
se
réalise
par
rayonnement de lampes
i f
infrarouges
Epitaxie du Silicium
La procédure de dépôt comprend plusieurs étapes :
1.
nettoyage in‐situ de la surface des substrats par circulation d’acide chlorhydrique
anhydre (1200°C – 3 minutes).
2.
stabilisation de la température de croissance sous balayage d’hydrogène
3.
introduction des gaz réactifs et épitaxie du silicium. La vitesse de croissance est
fonction de la température et du débit des gaz (typiquement 1100°C – 1 cm3/s). Elle
est de l’ordre de 1 µm/min.
4.
refroidissement sous hydrogène, puis sous azote de façon à purger le réacteur pour
pouvoir l’ouvrir sans danger.
Epitaxie du Silicium
Le choix des gaz réactifs est lié à la température de dépôt. Celle‐ci doit être suffisamment
basse pour éviter toute diffusion d’impuretés en provenance du substrat. Mais elle doit
rester suffisamment élevée pour obtenir une bonne cristallinité des couches.
couches Les
températures inférieures à 800°C favorisent ainsi une croissance polycristalline (le
polysilicium fortement dopé est un très bon conducteur électrique).
Gaz réactif
v (µm/min)
T (°C)
Niveau d’impuretés
oxydantes (ppm)
SiCl4
0 4 – 1.5
0.4
15
1150 - 1250
5 - 10
SiHCl3
0.4 – 2.0
1100 - 1200
5 - 10
SiH2Cl2
0.2 – 1.0
1050 - 1120
<5
SiH4
0.2 – 0.3
950 - 1250
<2
Les dopants sont transportés par des hydrures : par exemple diborane (B2H6) pour le
dopage p et phosphine (PH3), arsine (AsH3) ou encore stibine (SbH3) pour le dopage n.
Epitaxie du Silicium
Dépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD)
Dépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD) Dans un réacteur LPCVD, la
pression dans l’enceinte est
li i é dans
limitée
d
l gamme 10 – 100
la
Torr. Le dépôt est réalisé dans un
réacteur en quartz chauffé par un
f
four
à résistance
éit
à trois
t i zones
(réacteur à « mur chaud »). Les
substrats
sont
maintenus
verticalement dans un support en
quartz, perpendiculairement à
l’écoulement des gaz. Ceux‐ci
sont introduits à ll’entrée
entrée de
l’enceinte de réaction et pompés
en sortie, ce qui a pour effet
d’augmenter
d
augmenter les cinétiques de
diffusion et permet une meilleure
homogénéité des dépôts ainsi
que la p
q
possibilité d’utiliser des
wafers de grands diamètres.
Epitaxie du Silicium
Dépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD)
Dépôt par la technique LPCVD (Low Pressure CVD) Les paramètres de dépôt sont les suivants : pression dans l’enceinte 10 à 100 Torr ; débit des gaz 1 à 10 cm3/s ; vitesse de dépôt 0,1 µm/min
des gaz 1 à 10 cm
/s ; vitesse de dépôt 0 1 µm/min
Vitesse de croissance en fonction du rapport SiH4/H2
Résistivité d’une couche dopée au phosphore en fonction du débit de phosphine
En fonction du but recherché, il est possible de réaliser la croissance directement à haute
température (1100°C) pour fabriquer un monocristal ou bien déposer du silicium amorphe
à basse température (550
(550°C)
C) et cristalliser ensuite la couche formée par recuit thermique
ou laser
Epitaxie du Silicium
Dépôt par la UHV CVD (Ultra‐High Vacuum CVD) Dépôt par la UHV –
CVD (Ultra High Vacuum CVD)
C’est le même principe que pour l’EJM. Les gaz sont introduits dans une enceinte
sous ultra‐vide identique à un réacteur EJM. Du fait de l’introduction des gaz la
pression dans la chambre en cours de croissance est de l’ordre de 10‐5 Torr.
Les propriétés de croissance sont comparables à celles de l’EJM des semi‐
conducteurs III‐V : haute pureté, faible vitesse, ….
Epitaxie du Silicium
Vis‐à‐vis de la technique CVD à pression atmosphérique, les techniques LPCVD et UHV‐
CBV offrent comme avantages :
• une très bonne uniformité en épaisseur des dépôts (± 5%)
• un très bon contrôle des profils de jonction
Le principal inconvénient est la plus faible vitesse de croissance des matériaux fabriqués
par LPCVD ou UHV‐CVD comparée à celle de ceux fabriqués par CVD à pression
atmosphérique.
hé i
La technique d
d’épitaxie
épitaxie sera choisie en fonction des besoins et de ll’application
application visés
(cellule solaire ≠ C‐MOS,…)
Dépôt de couches diélectriques
Les couches diélectriques (ou couches de
passivation)
possèdent
différentes
fonctions.
fonctions
Cas du circuit intégré :
• couche d’isolation (« verticale », entre
2 niveaux conducteurs, « horizontale »,
entre 2 composants voisins)
• couche de masquage pour procédé
technologique (diffusion,
(diffusion implantation de
dopants, …)
• couche de protection
• couche active d’un transistor MOS (les
propriétés de la couche diélectrique,
permittivité, épaisseur, et celles de
l’interface
diélectrique/Si
influent
directement sur les caractéristiques du
MOS (Vth, claquage,…)
Les propriétés du diélectrique vont varier en fonction de la technique de fabrication utilisée
Les propriétés du diélectrique vont varier en fonction de la technique de fabrication utilisée
Dépôt de couches diélectriques
Selon l’utilisation de la couche de passivation, les exigences en termes de qualité et de
propriétés sont différentes :
• bonnes propriétés diélectriques (ρ > 1012 Ωcm); champ de claquage > à 106 V/cm;
pas de perte diélectrique dans une couche d’isolation
• densité élevée, bonne vitesse d’attaque pour les couches de masquage
• taux de
d recouvrement élevé
él é pour les
l couches
h de
d protection
• très bonnes propriétés diélectriques, pas de charge mobile, faible densité d’états
d’i t f
d’interface
avec le
l silicium
ili i
(NSS < 1011 cm‐22),
) cecii pour les
l couches
h actives
ti
MOS
MOS.
Deux matériaux sont principalement utilisés comme couches de passivation du silicium :
• la
l silice
l (SiO
( 2)
• le nitrure de silicium (Si3N4)
Mais d’autres matériaux peuvent être utilisés notamment lors de la fabrication de
composants
t discrets
di
t (TiO2, YF3, …))
Dépôt de couches diélectriques
On peut classer les différentes techniques de dépôts de matériaux diélectriques en 3
grandes catégories :
• les techniques d’oxydation
• les techniques CVD de dépôts chimiques en phase vapeur
l t h i
CVD d dé ôt hi i
h
• les techniques de pulvérisation cathodique (sputtering) et évaporation
Le choix d’une technique donnée est fonction de la température du dépôt. Il prend
é l
également
en compte l’uniformité
l’ if
i é du
d dépôt,
dé ô les
l
caractéristiques
éi i
él
électriques
i
(résistivité) et mécaniques (coefficient de dilatation, dureté, module d’Young) du
dépôt, sa morphologie, sa composition chimique, son aptitude à recouvrir les
discontinuités surfaciques (taux de recouvrement)
Oxydation thermique du silicium
Dans ce cas, la silice est obtenue par oxydation thermique sèche (O2) ou bien humide (O2 + H2O). L’oxydation est réalisée à pression atmosphérique en tube ouvert, à des températures allant de 800°C à 1200°C. Les réactions de base sont les suivantes : Si (s) + O2 (g) Si (s) + O
(g)
SiO2 (s)
Si (s) + 2 H2O (g) SiO2 (s) + 2 H2 (g)
Oxydation thermique du silicium
Le mécanisme de l’oxydation du silicium est
complexe. Il y a combinaison des
mécanismes
é i
d’i t f
d’interface
(diff i
(diffusion
à
l’interface oxyde – silicium + réaction
d’oxydation) et des mécanismes de diffusion
des espèces oxydantes à travers ll’oxyde
oxyde.
Un modèle simple est d’admettre que les atomes de silicium traversent la couche d’oxyde pour s’oxyder à leur tour. Il en résulte que l’interface SiO2 – Si se déplace à l’intérieur du silicium pendant le processus d’oxydation.
La vitesse d’oxydation dépend du type d’oxydation, de la température mais aussi de ll’orientation
orientation cristalline du substrat
cristalline du substrat
Oxydation thermique du silicium
Avantages
L’oxydation thermique permet d’obtenir une silice avec les caractéristiques d’une très
bonne couche de passivation. Son épaisseur varie en fonction de la durée d’oxydation
ett de
d la
l température.
t
é t
Ell estt également
Elle
é l
t fonction
f ti
d type
du
t
d’ d ti
d’oxydation
(l’ d ti
(l’oxydation
humide est plus rapide). On obtient typiquement à 1000°C une couche de SiO2 de 1 µm
au bout de 100 heures (oxydation sèche) ou de 10 heures (oxydation humide), avec une
plaquette orientée [111].
[111]
Il est possible d’accélérer le processus d’oxydation en opérant sous flux d’oxygène haute
pression ou en introduisant des produits chlorés dans le gaz oxygène comme l’acide
cholorhydrique ou le trichloroéthylène. Le chlore réagit avec certaines impuretés de
l’interfaces SiO2 – Si et les rend volatiles (par exemple Na qui est éliminé sous la forme
NaCl). Il en résulte une amélioration des propriétés diélectriques de SiO2 (tension de
claquage plus élevée) et une réduction de la densité des états d’interface.
Oxydation thermique du silicium
Inconvénients
Le principal inconvénient de la technique d’oxydation provient du fait qu’elle se réalise à
haute température, ce qui favorise la diffusion des impuretés déjà introduites dans le
substrat de Silicium. Elle est inutilisable si, par exemple, des contacts à l’aluminium ont
déjà été déposés (température de l’eutectique Al‐Si : 577°C).
Un autre inconvénient provient du fait que les cinétiques d’oxydation dépendent du
dopage du substrat. Les régions fortement dopées (bore ou phosphore) s’oxydent plus
vites que les régions faiblement dopées. Il peut en résulter des marches suffisamment
importantes pour provoquer des cassures au niveau des interconnexions métalliques
déposées par la suite sur l’oxyde.
Dépôt diélectrique par CVD
Les techniques de dépôt chimique en phase vapeur de couches diélectriques se
réalisent à plus basse température que ll’oxydation
oxydation thermique.
On distingue trois types :
• dépôt par CVD à pression atmosphérique
• dépôt par LPCVD
• dépôt chimique en phase vapeur assisté plasma (PCVD ou PECVD, pour Plasma
Enhanced CVD)
Les deux premières méthodes ont déjà été décrites précédemment lors de la
présentation de l’épitaxie du silicium. Les appareillages utilisés pour le dépôt de
couches diélectriques
q
sont les mêmes,, la différence p
provenant de la nature des ggaz
réactifs et de la température des dépôts.
Dépôt diélectrique par CVD
Gaz réactifs et températures typiques de dépôt de diélectriques par les techniques CVD, LPCVD et PECVD La technique PECVD est très utilisée dans la fabrication des CIs car elle permet
l’obtention de dépôts
p à très basse température.
p
Dépôt diélectrique par PECVD
Le dépôt PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) est fondé sur la création
d'espèces ou d'éléments à déposer à basse température grâce à l'apport d'énergie sous
forme électromagnétique (source radiofréquence en général). Cette technique évite
donc des passages à haute température qui peut entraîner une redistribution des
dopants par exemple. Toutefois, afin d'améliorer la qualité du matériau des couches
dé é il est nécessaire
déposées,
é
i de
d chauffer
h ff "légèrement"
"lé è
" les
l substrats
b
(
(quelques
l
centaines
i
d
de
degrés éventuellement).
Industriellement, il est possible de distinguer deux types principaux de réacteur : ‐ réacteur horizontal à platine porte‐substrat,
‐ réacteur à "mur chaud".
Qu’est‐ce qu’un plasma?
Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physique
pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogie
avec le plasma sanguin auquel ce phénomène s’apparente visuellement.
Dans les
l
conditions
d
usuelles,
ll
un milieu
l
gazeux ne permet pas la
l conduction
d
d
de
l’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur est
considéré comme un isolant parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre
(él t
(électrons
ou ions
i
positifs).
itif ) Les
L électrons
él t
lib ett les
libres
l ions
i
positifs
itif peuventt apparaître
ît sii on
soumet le gaz à un champ électrique de forte intensité, à des températures suffisamment
élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ électromagnétique
très
intense
intense.
Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de
volume soit comparable à celui des molécules neutres,
neutres le gaz devient alors un fluide très
conducteur qu’on appelle plasma.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
A l’origine, un plasma désignait un gaz ionisé globalement neutre, puis cette
définition a été étendue aux gaz partiellement ionisés dont le comportement
diffère de celui d’un gaz neutre. Aujourd'hui, on parle de plasma lorsque la
matière
tiè que l'on
l' observe
b
contient
ti t un grand
d nombre
b de
d particules
ti l de
d natures
t
différentes qui peuvent interagir entre elles et avec l'environnement : c'est une
« soupe » d'électrons, cations, anions, molécules et atomes neutres ou excités,
clusters agrégats.
clusters,
agrégats Ces particules sont dans un état très instable et sont donc
extrêmement réactives.
Au sein d
d’un
un plasma ces particules excitées retombent dans leur état initial en
émettant un rayonnement électromagnétique. La lueur caractéristique du plasma
est due à ce phénomène.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
L’énergie nécessaire à la formation d’un plasma peut provenir de différentes sources.
On trouve, par exemple, des plasmas dans la nature, sur le soleil ainsi que dans des
éclairs ou encore des flammes mais aussi dans des phénomènes atmosphériques
telles que les "aurores boréales".
La technique de génération des plasmas la plus répandue est celle d’une excitation
par un champ électrique. D’après la fréquence appliquée, on fait la différence entre
le plasma à courant alternatif (50 Hz), à audio‐ (kHZ), à radio‐fréquence (MHz) ou le
plasma à micro‐ondes (GHz).
La technique du plasma est utilisée surtout dans le domaine du traitement des
surfaces et du dépôt de diélectriques.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
La différenciation des plasmas entre "le plasma froid" (non thermique) et "le plasma chaud" (thermique) est courante : (
q )
Dans les plasmas thermiques, la pression du gaz est relativement élevée ce qui augmente
le nombre des collisions entre les particules (neutres, excitées, non excitées, ionisées) et
qui favorise ainsi la transmission de l’énergie. Il en résulte un plasma qui se trouve dans un
équilibre thermodynamique, autrement dit, toutes ces particules ont pratiquement la
même quantité d’énergie (qui est très élevée) ‐ ce qui se traduit par l’appellation "chaud".
La température équivalente des particules est extrêmement élevée, de l’ordre de 10 000 K.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
La différenciation des plasmas entre "le plasma froid" (non thermique) et "le plasma chaud" (thermique) est courante : plasma chaud
(thermique) est courante :
Par contre, des plasmas non thermiques apparaissent sous des pressions
réduites (~1‐104 Pa). Sous ces conditions, le parcours moyen est tellement long
qu’ilil ne peut y avoir de transmission d
qu
d’énergie
énergie importante entre les particules
que par collision d’électrons. Aucun équilibre thermique ne peut se produire.
Macroscopiquement, le système est à température ambiante; il contient
toutefois un certain nombre de p
particules,, voire d’électrons,, à haute énergie
g
(température) (jusqu’à 105 °C). Cependant, aucune charge thermique ne se
produit en surface des échantillons présents au sein de ces plasmas, car la
température macroscopique reste la température ambiante.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
Lorsqu’un substrat est placé dans un plasma, il est bombardé en permanence par des
électrons et des ions du plasma. Par suite de la mobilité des électrons, beaucoup plus
grande que celle des ions, un plus grand nombre d
d’électrons
électrons heurte le substrat et il y a une
création d’une couche d’électrons absorbés à la surface du substrat.
Le substrat est alors porté à un potentiel négatif vis‐à‐vis de celui du plasma qui est
équipotentiel. (Autrement dit le substrat s’autopolarise négativement). Il y a formation
dans cette zone d’un champ électrique qui attire et accélère en direction du substrat les
i
ions
positifs
itif du
d plasma.
l
C ions
Ces
i
+ viennent
i
t heurter
h t le
l substrat
b t t sur lequel
l
l ils
il peuventt se
recombiner avec les électrons adsorbés. Mais ils peuvent également :
• activer des espèces adsorbées et faciliter les réactions chimiques (PECVD)
• arracher les atomes du substrat (cible) qui peuvent aller se déposer ailleurs
(pulvérisation)
Dépôt diélectrique par PECVD
Un réacteur horizontal PECVD typique comprend une chambre cylindrique en verre ou
en aluminium scellée sur deux disques d’aluminium, avec à l’intérieur deux électrodes
parallèles
llèl d’aluminium.
d’ l i i
L échantillons
Les
é h ill
sont placés
l é sur l’électrode
l’él
d inférieure
i fé i
quii peut
être chauffée entre 100 et 400°C à l’aide de fours à résistance. Les gaz sont introduits à
la périphérie du système et sont pompés au centre. Leur circulation est radiale.
L’application d’une ddp alternative entre les électrodes crée une décharge plasma
entretenue. Il en résulte une énergie (énergie plasma) qui, s’ajoutant à l’énergie
thermique de la CVD conventionnelle, permet des réactions de dépôt à des
températures nettement plus faibles.
faibles
plasma : argon; azote
gaz oxydants : N2O; O2
gaz de nettoyage : HCL; CF4
gaz réactifs : SiH4 (5%) + N2; CF4; NH3; NO2
Réacteur horizontal à platine porte‐substrat
Dépôt diélectrique par PECVD
Il existe également des réacteurs à « murs chauds ». Dans ce type de réacteurs, les
échantillons sont chauffés par un four comportant 3 zones de chauffe dans lequel on
réalise un plasma à l'aide de la source radiofréquence. Ce deuxième type de réacteur est
préféré industriellement car il évite d'éventuels "redépôts", sur les plaquettes, de
particules initialement déposées sur les parois comme dans le cas du premier réacteur.
De plus
l en prenant une structure interdigitée
i
di i é pour les
l électrodes,
él
d on peut "processer"
"
"
simultanément une cinquantaine de substrats
Réacteur plasma à « murs chauds »
Vue de dessus schématique de la structure
interdigitée des électrodes dans le réacteur
plasma à murs chauds substrats verticaux. Par
cette méthode un grand nombre de substrats
peut être
ê traité
i é simultanément.
i l é
Qu’est‐ce qu’un plasma?
Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physique
pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogie
avec le plasma sanguin auquel ce phénomène s’apparente visuellement.
Dans les
l
conditions
d
usuelles,
ll
un milieu
l
gazeux ne permet pas la
l conduction
d
d
de
l’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur est
considéré comme un isolant parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre
(él t
(électrons
ou ions
i
positifs).
itif ) Les
L électrons
él t
lib ett les
libres
l ions
i
positifs
itif peuventt apparaître
ît sii on
soumet le gaz à un champ électrique de forte intensité ou à des températures
suffisamment élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ
électromagnétique
très
intense
intense.
Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de
volume soit comparable à celui des molécules neutres,
neutres le gaz devient alors un fluide très
conducteur qu’on appelle plasma.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
A l’origine, un plasma désignait un gaz ionisé globalement neutre, puis cette définition a
été étendue aux gaz partiellement ionisés dont le comportement diffère de celui d’un gaz
neutre. Aujourd'hui,
j
, on p
parle de p
plasma lorsque
q la matière q
que l'on observe contient un
grand nombre de particules de natures différentes qui peuvent interagir entre elles et avec
l'environnement : c'est une soupe d'électrons, cations, anions, atomes neutres, clusters,
agrégats. Au sein d’un plasma, se trouve donc un grand nombre de molécules excitées qui
retombent dans leur état initial en émettant un rayonnement électromagnétique. La lueur
caractéristique du plasma est due à ce phénomène.
L’énergie
L’é
i nécessaire
é
i à la
l formation
f
i d’un
d’ plasma
l
peut provenir
i de
d différentes
diffé
sources. On
O
trouve, par exemple, des plasmas dans la nature, sur le soleil ainsi que dans des éclairs ou
encore des flammes mais aussi dans des phénomènes atmosphériques telles que les
"aurores boréales".
boréales" La technique de génération des plasmas la plus répandue est celle
d’une radiation incidente d’un champ électrique. D’après la fréquence appliquée, on fait
la différence entre le plasma à courant alternatif (50 Hz), à audio‐ (kHZ), à radio‐
fréquence (MHz) ou le plasma à micro‐ondes
micro ondes (GHz) . La technique du plasma est utilisée
également dans les tubes néon mais on l’exploite surtout dans le domaine du traitement
des surfaces et du dépôt de diélectriques.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
La différenciation des plasmas entre "le plasma froid" (non thermique) et "le plasma chaud" (thermique) est courante : Dans les plasmas thermiques, la pression du gaz est relativement élevée ce qui augmente le nombre des collisions entre les particules (neutres, excitées, non excitées, ionisées) et qui favorise ainsi la transmission de l’énergie. Il en résulte un plasma qui se trouve dans un équilibre thermodynamique, autrement dit, toutes ces particules ont pratiquement la même grande quantité d’énergie ‐ ce qui se traduit par l’appelation "chaud". Par contre, des plasmas non thermiques apparaissent sous des pressions réduites (~1‐104
Pa). Sous ces conditions, le parcours moyen est tellement long qu’il ne peut y apparaître
de transmissions d
d’énergie
énergie importantes entre les particules que par collision d
d’électrons
électrons,
donc aucun équilibre thermique ne peut se produire. Macroscopiquement, le système est
à température ambiante; il contient toutefois un certain nombre de particules, voire
d’électrons
d
électrons, à haute énergie (température) (jusqu
(jusqu’àà 105 °C)
C). Cependant,
Cependant aucune charge
thermique ne se produit en surface des échantillons présents au sein de ces plasmas, car la
température macroscopique reste la température ambiante.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
Lorsqu’un substrat est placé dans un plasma, il est bombardé en permanence par
les particules (électrons, molécules, ions, …) du plasma. Par suite de la mobilité des
électrons, beaucoup plus grande que celle des ions, un plus grand nombre
d’électrons heurte le substrat et il y a une création d’une couche d’électrons
adsorbés à la surface du substrat.
Qu’est‐ce qu’un plasma?
Le substrat est alors porté à un potentiel négatif vis
vis‐à‐vis
à vis de celui du plasma qui
est équipotentiel. Autrement dit le substrat s’auto‐polarise négativement. Il y a
formation dans cette zone d’un champ électrique qui attire et accélère en
direction du substrat les ions p
positifs du p
plasma. Ces ions + viennent heurter le
substrat sur lequel ils peuvent se recombiner avec les électrons adsorbés. Mais ils
peuvent également :
• activer des espèces adsorbées et faciliter les réactions chimiques (PECVD)
• arracher les atomes du substrat (cible) qui peuvent aller se déposer ailleurs
(pulvérisation)
Dépôt de couches diélectriques
Dans les techniques CVD, on peut utiliser l’énergie d’un rayonnement UV ou bien
celle d’un faisceau laser, d’un faisceau d’ions ou d’un faisceau d’électrons. Ces
dernières méthodes permettent le dépôt localisé d
d’un
un diélectrique,
diélectrique ll’énergie
énergie
supplémentaire amenée par le faisceau de photons ou de particules provoquant la
décomposition des gaz dans la chambre de réaction par un processus de pyrolyse ou
de photolyse.
photolyse
Un intérêt de ces techniques de dépôt CVD
assisté est d’augmenter la vitesse de
décomposition. Ainsi, il est possible
d’obtenir du SiO2 à la vitesse de 150 Ǻ/min
à la température aussi basse que 50°C par
la technique CVD assisté UV.
Schéma de principe des techniques de dépôt par (a) UV‐CVD et (b) par CVD assisté par faisceau d’électrons
Pulvérisation cathodique
La pulvérisation cathodique ne sert pas exclusivement à la passivation par dépôt
diélectrique, mais aussi à la réalisation de contacts métalliques ainsi qu’à la gravure sèche.
Cette méthode permet de déposer tous les matériaux (quelle que soit leur pression de
vapeur) avec une très bonne adhérence.
Le dépôt par pulvérisation cathodique se réalise dans une enceinte à vide contenant une
cathode (ou cible) et une anode qui supporte les plaquettes de silicium (ou autres
échantillons) à traiter.
traiter
Pulvérisation cathodique
La cible est constituée par un disque du matériau à déposer. On introduit dans l’enceinte
un gaz rare (Argon) et on applique une excitation haute fréquence sur la cible. On crée ainsi
un plasma
l
au voisinage
ii
d la
de
l cible.
ibl Celle‐ci
C ll i est alors
l
b b dé en permanence par des
bombardée
d
électrons et des ions du plasma. Par suite, la cible s’autopolarise négativement (voir
présentation du plasma), ce qui a pour effet d’attirer et d’accélérer les ions argon qui vont
arracher les atomes de le cible,
cible ceux‐ci
ce ci venant
enant ensuite
ens ite se déposer sur
s r les substrats
s bstrats de
silicium positionnés en regard.
LLorsqu’on
’ désire
dé i obtenir
bt i un dépôt
dé ôt métallique,
ét lli
la cible est constituée par le métal à déposer.
Lorsqu on désire déposer une couche de
Lorsqu’on
silice, la cible est un disque de SiO2.
…
Bâti de dépôt par pulvérisation cathodique
Dépôts par évaporation
Evaporation thermique
La technique d'évaporation thermique est très simple et consiste simplement à chauffer
par effet Joule un matériau qui, vaporisé, va se déposer sur les substrats. La charge du
matériau à déposer est placée dans un creuset (en tungstène ou graphite). Afin
d'améliorer l'homogénéité des couches déposées (très faible variations d'épaisseur), on
déplace en permanence les substrats. Dans le cas du bâti ci‐dessous, le porte substrat est
tournant.
Bâti de dépôt par évaporation thermique
Bâti de dépôt par évaporation thermique
Dépôts par évaporation
Evaporation thermique
Bâti de dépôt par évaporation thermique
Afin de contrôler l'épaisseur des couches
déposées, on utilise une balance à quartz.
Le principe de celle
celle‐ci
ci consiste à détecter
la dérive de la fréquence d'oscillation du
quartz par la modification de sa masse
lors de la croissance de la couche
déposée (le dépôt s'effectue aussi sur la
quartz). C'est donc une mesure électrique
qu'il faut bien évidemment étalonner. En
mesurant le décalage de fréquence en
fonction du temps, on peut aussi
déterminer la vitesse de croissance des
couches déposées.
Dépôts par évaporation
Canon à électrons
La technique du canon à électron consiste à apporter suffisamment d'énergie (très
concentrée)
é ) sur un matériau
é
souvent réfractaire
éf
à l'aide
l' d d'un
d' faisceau
f
d'él
d'électrons
f l é
focalisé.
Les électrons sont créés par effet thermoélectrique (chauffage d'un filament) et leur
trajectoire est dirigée grâce à l'action conjuguée d'une différence de potentiel électrique et
d' champ
d'un
h
magnétique.
éti
C dernier
Ce
d i incurve
i
l trajectoire
la
t j t i du
d faisceau
f i
pour focaliser
f li celui‐ci
l i i
sur le matériau à évaporer. Dans ce cas‐là aussi, le matériau à déposer se trouve dans des
creusets résistants à la chaleur.
Dans ce cas là aussi, il est souhaitable que
le substrat soit en rotation pour
homogénéiser les épaisseurs déposées.
Ces épaisseurs sont également la plupart
du temps mesurées grâce à une balance à
quartz.
Bâti de dépôt par évaporation assistée par canon à électrons
â i d dé ô
é
i
i é
à él
Dépôts de couches métalliques
Comme il a été présenté précédemment, les techniques d’oxydation
thermiques et de CVD sont réservées à la fabrication de silicium et de couches
diélectriques.
Les couches métalliques, quant à elles, sont fabriquées avec les autres techniques déjà
décrites :
• Pulvérisation cathodique (sputtering)
• Évaporation (thermique et assistée par canon à électrons)
Les propriétés des couches métalliques obtenues vont bien évidemment dépendre de la
technique utilisée pour leur fabrication et des divers paramètres de dépôt
(essentiellement vitesse, température, pression,..).
Les contacts métalliques
Un grand nombre de métaux ou d
d’alliages
alliages peuvent être utilisés pour réaliser les
contacts électriques ainsi que les interconnexions dans un circuit intégré. Ces métaux
doivent satisfaire les conditions suivantes :
• Faible résistivité (10‐5 Ωcm)
• Bonne adhésion au matériau sur lequel il est déposé (Si, SiO2, III‐V, …)
• Stabilité mécanique
• Facile à souder
• Permettre des attaques chimiques sélectives
• Permettre des traitements thermiques ultérieurs : tenue en température.
• Résistance à l’électro‐migration même sous forts champs électriques.
• Réalisation d’un contact ohmique ou bien d’un contact bloquant.
Les contacts métalliques
Pour les semiconducteurs faiblement dopés
(< 1017 cm‐3), le transport des charges à
travers le contact s’effectue par émission
thermoionique au‐dessus de la barrière de
potentiel, la résistance de contact est très
élevée, c’est un contact Schottky.
Pourr les dopages très élevés
Po
éle és (>1019 cm‐3),
) le
transport des charges se fait par effet tunnel
à travers la barrière de potentiel, la résistance
spécifique
p
q
de contact est très faible, le
contact est de type ohmique.
Afin d’obtenir un bon contact ohmique il faut
donc sur‐doper la zone superficielle du
substrat.
Les contacts métalliques
Forts dopages = transport
des charges à travers le
contact
t t par effet
ff t tunnel
t
l
Dopages faibles et moyens =
transport des charges à
travers le contact par
émission thermoionique