Comment isoler électriquement les transistors entre eux?

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1 Comment isoler électriquement les transistors entre eux? En disposant une zone isolante entre transistors LOCOS N+ N+ N+ locos SiO2 N+ N+ N+ Tranchées N+ N+ N+ N+ N+ N+ Tranchées SiO2 Nous avons vu, dans une partie précédente, que pour isoler latéralement les transistors entre eux et éviter les passages de courant parasites, il était possible : soit d'éloigner les transistors les uns des autres, ce qui limite l'intégration du circuit soir de disposer une zone isolante entre les transistors Cette zone isolante peut être : soit un LOCOS soit une tranchée Nous allons donc étudier successivement ces deux types de construction de l'isolation latérale. Page : 1

2 Comment réaliser le LOCOS? LOCOS = LOCal Oxidation of Silicon H2O Vapeur Si3N4 SiO2 Oxydation localisée du Si et croissance d'un LOCOS SiO2 oxydation Si + O2 (H20 vapeur) SiO2 Bec d'oiseau Un LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) est une oxydation locale du silicium, en présente de vapeur d'eau à C (réaction chimique Si + O2 > SiO2) Cette opération produit une oxydation du substrat dans la zone non protégée par du nitrure de silicium. la diffusion latérale des espèces oxydantes se produisant lors de la croissance de l'oxyde de silicium soulève le nitrure de silicium en formant un bec d'oiseau. Page : 2

3 Quel est le rôle du nitrure de silicium? 2 rôles principaux 1. Définir la taille du LOCOS et de la zone active dimension du motif 2. Limiter la croissance du LOCOS Page : 3

4 Les différents facteurs affectant la formation du LOCOS Épaisseur du locos formé Utilisation d'oxygène sous forme de vapeur d'eau > oxyde épais Augmentation vitesse d'oxydation > limitation de la diffusions de dopants > amélioration de la productivité Exemple : pour un locos de 5000Å 10 heures avec 02 à 1100 C 50mn avec O2 + H2O à 1100 C Épaisseur nitrure de silicium/ Épaisseur d'oxyde piédestal > Influence sur croissance du bec d'oiseau > Influence sur épaisseur locos (dans petites géométries) rapport faible = contrainte faible rapport fort = contrainte forte Les principaux facteurs influençant la croissance d'un LOCOS sont: L'épaisseur de l'oxyde de champ (épaisseur 50 à 100 fois plus forte que l'oxyde de grille; donc nécessité d'une vitesse d'oxydation importante). L'oxydation par l'oxygène sous forme de vapeur d'eau (steam) apparaît intéressante : la présence de vapeur d'eau augmente la vitesse d'oxydation, ce qui limite la profondeur de diffusion des dopants et améliore la productivité. Le rapport entre les épaisseurs de nitrure de silicium et d'oxyde de silicium qui conditionnent : ~ La croissance du bec d'oiseau : un rapport faible (épaisseur de nitrure de silicium inférieure à celle de l'oxyde piédestal) traduit une contrainte faible et donc une croissance importante du bec d'oiseau. Inversement un rapport élevé (épaisseur de nitrure de silicium supérieure à celle de l'oxyde piédestal) traduit une contrainte forte et donc une croissance limitée du bec d'oiseau. ~ L'épaisseur du LOCOS formé, qui est fonction de l'épaisseur de l'oxyde piédestal et de la contrainte exercée par le nitrure de silicium. La température d'oxydation : l'évolution morphologique dépend en effet du type de construction. Exemple : SILO au delà) LOCOS le bec d'oiseau augmente avec la température Le bec d'oiseau diminue jusqu'à un optimum de C (il augmente Page : 4

5 Quelles sont les pertes dimensionnelles associées au LOCOS? Croissance du LOCOS Perte dimensionnelle (due au bec d'oiseau) limitation de la densité d'intégration Taille ouverture masque 6000Å Taille LOCOS 0,4µ 800Å 120Å Réduction oxyde piédestal = SILO Amélioration locos = Réduction du bec d'oiseau = Rapport Nitrure/Piédestal fort Augmentation nitrure = PBL Le principal inconvénient du LOCOS est celui de la perte dimensionnelle créée par la croissance du bec d'oiseau : la largeur de la zone isolante est supérieures à celle définie par l'ouverture dans la couche de nitrure de silicium. Il y a donc une baisse de la densité d'intégration des circuits. Pour limiter cet inconvénient, il faut limiter la croissance du bec d'oiseau et donc augmenter le rapport épaisseur de nitrure de silicium / Épaisseur d'oxyde piédestal. Deux approches sont possibles : réduire l'épaisseur de l'oxyde de piédestal (construction de type SILO) augmenter l'épaisseur de nitrure de silicium (construction de type PBL) Ce sont ces deux types de construction que nous allons maintenant étudier. Remarque : l'utilisation de vapeur d'eau lors de l'oxydation du LOCOS amène la formation de "ruban blanc" en bord de zone active par nitruration du substrat (risque de diminuer la qualité de l'oxyde de grille). La solution la plus couramment utilisée est l'oxydation de grille sacrifiée avant l'étape d'oxydation de la grille définitive. Page : 5

6 Un effet parasite dans la construction du LOCOS : le phénomène de "ruban blanc" Production d'ammoniaque pendant l'oxydation LOCOS "Ruban blanc" : "White Ribbon" ou "Effet Kooï" LOCOS O2 NH3 H2 N2 Nitrure SiN Oxynitrure Si3N4 RISQUE : Oxyde de grille amincissement de l'oxyde de grille Page : 6

7 Comment éliminer le phénomène de ruban blanc? Par oxydation d'une grille sacrifiée Élimination du masque à l'oxydation LOCOS Si Oxydation grille sacrifiée (oxydation du SiN) LOCOS Si Désoxydation LOCOS Si Oxydation de la grille LOCOS Si Page : 7

8 La réalisation d'un SILO SILO = Sealed-Interface Local Oxidation H2O Vapeur Si3N4 de scellement Oxydation localisée du Si et croissance d'un LOCOS SiO2 Bec d'oiseau épaisseur de nitrure faible (couche épaisse = défauts) oxydation du nitrure (modification des caractéristiques Pour augmenter la rapport épaisseur de nitrure / épaisseur d'oxyde, la première approche possible est la réduction de l'épaisseur de l'oxyde. On peut ainsi aller jusqu'à la suppression de cette couche sous le nitrure, ce qui revient à sceller directement le nitrure sur le silicium (nitrure de scellement) Cependant, dans ce type de construction, on observe quand même la formation d'un bec d'oiseau pendant la croissance du LOCOS. ce bec d'oiseau résulte du fait que : l'épaisseur de nitrure de silicium doit rester faible (100Å environ) : une couche trop épaisse crée des contraintes pouvant provoquer la formation de défauts dans le silicium. L'oxydation du nitrure de silicium modifie ses caractéristiques, et en particulier la force de contrainte exercée sur l'oxyde LOCOS. Page : 8

9 Comment limiter la formation du bec d'oiseau dans un SILO? Réduction du bec d'oiseau Protection contre oxydation nitrure de scellement par dépôt seconde couche de nitrure Bore nitrure 2 LTO nitrure 1 Mais augmentation couche nitrure > contraintes Protection par couche d'oxyde intermédiaire Bec d'oiseau 500Å 100Å Pour limiter la formation du bec d'oiseau, on peut essayer de limiter l'oxydation du nitrure de silicium en déposant une seconde couche de nitrure de silicium sur le nitrure de silicium de scellement. Cependant ce dépôt d'une seconde couche revient à augmenter l'épaisseur de nitrure, donc à augmenter les contraintes et les risques d'apparition de défauts dans le silicium. Pour limiter cet effet, il faut déposer une couche d'oxyde de silicium intermédiaire entre le nitrure de scellement (nitrure1) et la deuxième couche de nitrure (nitrure2); ce qui limite les contraintes et donc l'apparition de défauts. Page : 9

10 Comment choisir les épaisseurs d'oxyde de nitrure 1 et de nitrure 2? Augmentation épaisseur de nitrure Apparition de dislocations dans le substrat Choix des épaisseurs respectives de nitrure 1 et nitrure 2 25 SILO dislocation Épaisseur nitrure 1 (nm) Épaisseur nitrure 2 (nm) Nombreux défauts Quelques défauts Pas de défauts Le choix des épaisseurs de nitrure déposé résulte d'un compromis entre les avantages et les risques apportés par ces couches la protection contre l'oxydation l'augmentation des contraintes les risques d'apparition de défauts Le schéma en bas du transparent présente les zones les plus favorables en fonction des épaisseurs de nitrure 1 et de nitrure 2. Page : 10

11 Comment garantir le bon scellement du nitrure sur le substrat? Air ambiant (N2, O2) N2 Plaquettes Four de dépôt nitrure Risque d'oxydation à l'introduction des plaquettes dans le four de dépôt nitrure > Réduction épaisseur nitrure / épaisseur oxyde > augmentation du bec d'oiseau ELABORATION DE LA COUCHE SCELLEE PAR RECUIT RAPIDE Rapid Thermal Nitridation (RTN) Dans la pratique, même en utilisant deux couches de nitrure avec une couche intermédiaire d'oxyde de silicium, on observe quand même la formation d'un bec d'oiseau. Ce bec d'oiseau a pour origine l'existence d'une mince couche d'oxyde de silicium formée à l'introduction des plaquettes dans le four de dépôt nitrure. Pour limiter ce problème, on procède à une nitruration thermique rapide (RTN) des plaquettes avant passage au four de dépôt. La couche de nitrure ainsi formée assure la protection du silicium contre l'oxydation et donc un bon scellement du nitrure1 sur le substrat. Page : 11

12 La réalisations d'un PBL PBL = Poly Buffer Locos Augmentation épaisseur couche nitrure de silicium > risque d'apparition de défauts cristallins > dépôt d'une couche tampon de Si poly H2O Vapeur Si3N4 1800Å Si poly 600Å SiO2 100Å Oxydation localisée du Si et croissance d'un LOCOS SiO2 Bec d'oiseau Oxydation du Si poly Si3N4 Si poly SiO2 Nous avons vu dans la construction du SILO, une approche visant à augmenter le rapport épaisseur de nitrure / épaisseur d'oxyde piédestal par la réduction de l'épaisseur d'oxyde. L'autre approche consiste à augmenter l'épaisseur de nitrure de silicium : c'est le PBL (Poly Buffer Locos). Nous avons vu précédemment que l'augmentation de l'épaisseur de nitrure augmente les risques d'apparition de défauts dans le silicium. Pour réduire cet effet dans la construction PBL, on peut déposer une couche de silicum polycristallin sous le nitrure. Cependant, on observe quand même la formation d'un bec d'oiseau dû à l'oxydation du silicium polycristallin et à une modification de sa force de contrainte. De ce fait, les performances du PBL restent inférieures à celles du SILO. Page : 12

13 Quels sont les critères de choix d'une construction de LOCOS? Construction LOCOS contraintes photolithographie Taille zone active espacement entre zones N+ N+ N+ N+ N+ N+ Règle Taille min. ZA Espace min Bec d'oiseau min Construction de dessin 0,8µ 0,8µ 1,5µ 0,35µ LOCOS 0,5µ 0,5µ 1,0µ 0,25µ 0,35µ 0,35µ 0,7µ 0,175µ PBL 0,25µ 0,25µ 0,5µ 0,125µ SILO 0,10µ 0,10µ 0,2 0,05µ Tranchées Règle de dessin + 2 x Bec d'oiseau max = Espace min Ce transparent permet de récapituler les critères de choix d'une construction en fonction des règles de dessin. L'espacement minimum entre transistors dépend : de la taille de la zone active de la taille du bec d'oiseau Ces contraintes ont conduit à passer progressivement d'une construction de type LOCOS à des constructions PBL et SILO, puis à la construction que nous allons étudier ensuite : la tranchée. Page : 13

14 Qu'est-ce qu'un tranchée Tranchée = BOX (Buried OXide - Oxyde enterré) = STI (Shallow Trench Isolation - Isolation par tranchée peu profonde) Tranchée isolante 0,3 à 0,5µ Intérêt de la tranchée = Absence de perte dimensionnelle Une tranchée (appelée également BOX ou STI) est une zone isolante d'oxyde, en forme de "tranchée". Son principal avantage par rapport au LOCOS est l'absence de pertes dimensionnelles pendant sa formation. Page : 14

15 Quelles sont les contraintes de réalisation d'une tranchée? Choix du matériau de remplissage Matériau isolant Matériau non dopé Matériau permettant un dépôt conforme (même topographie que le matériau sous-jacent) Zones d'ombrage Matériaux utilisable oxyde de silicium déposé par CVD Silicium polycristallin Les conditions de réalisation d'une bonne tranchée sont de disposer d'un matériau : isolant non dopé, pour éviter la contamination des autres couches permettant de réaliser un dépôt conforme, en évitant les défauts tels que les zones d'ombrage. Ces caractéristiques conduisent à retenir principalement : l'oxyde de silicium déposé par CVD le silicium polycristallin Les autres matériaux minéraux (nitrure) ou organiques (Spin On Glass, résine,...) présentent des inconvénients par rapports aux conditions précédentes qui interdisent leur emploi. Page : 15

16 Comment réaliser une tranchée - 1 Gravure du silicium à la profondeur voulue Dépôt d'une couche de matériau isolant Gravure de la couche isolante La réalisation d'une tranchée s'effectue en trois étapes principales : gravure des tranchées dans le substrat, à la profondeur voulue dépôt de la couche de matériau isolant gravure de la couche de matériau isolant jusqu'au substrat. Page : 16

17 Comment réaliser une tranchée - 2 Gravure de la couche isolante tranchée étroite tranchée moyenne tranchée large Amélioration du remplissage par : Utilisation d'une couche de résine supplémentaire Polissage de la couche de SiO2 Dans la pratique, la gravure du matériau isolant n'est pas toujours aussi parfaite que souhaitée. Elle est bonne dans le cas de tranchées étroites, mais moins dans le cas de tranchées de largeur moyenne. Dans le cas des tranchées larges, il peut même y avoir remplissage incomplet. Pour limiter ces problèmes, on peut améliorer le remplissage en : Déposant une couche de résine sur la couche de matériau isolant Procédant à un polissage mécano-chimique de la couche de matériau isolant. Page : 17

18 La technique IBM de réalisation des tranchées SiO2 Résine fine Résine épaisse Gravure résine + SiO2 Polissage mécano chimique abrasif (SiO2) + eau Si Avantages remplissage satisfaisant pour toutes géométries étapes élémentaires bien maîtrisées Inconvénients étapes de planarisation complexe nombre d'étapes élevées risque de contamination ionique (résine, abrasif) Dans la technique IBM de réalisation de la tranchée, il y a : Dépôt d'une couche de résine sur la couche d'oxyde de silicium (résine a vitesse de gravure identique à celle de l'oxyde de silicium) Gravure de la résine et de l'oxyde Polissage mécano-chimique pour éliminer les pics et dépressions laissées par la gravure. Cette technique permet d'obtenir un remplissage satisfaisant des tranchées, avec des étapes élémentaires bien maîtrisées. Par contre, son coût est élevé en raison du nombre d'étapes élevé. D'autre part, cette technique présente des risques de contamination ionique des couches. Page : 18

19 Le substrat SOI Procédé SIMOX Separation by IMplantation of OXygen Oxydation thermique Procédé SMARTCUT Implantation H2 Implantation O2 Substrat Si monocristallin Après recuit Substrat Si monocristallin Couche riche en oxygène Couche Si mono Couche de SiO2 Substrat Si n 1 monocristallin Substrat Si n 2 monocristallin Substrat Si n 1 monocristallin Substrat Si n 2 monocristallin Recuit et décollement Substrat Si n 2 monocristallin Substrat Si n 1 monocristallin Couche riche en H Création de défauts dans la couche d oxyde Faible maîtrise des épaisseurs Excellente maîtrise des épaisseurs Substrat Si n 1 monocristallin Page : 19

20 Comparaison entre les LOCOS et les tranchées LOCOS TRANCHEE AVANTAGES * Utilisation de moyens * Planarisation parfaire de production existants * Épaisseur SiO2 forte sans perte de côte LIMITES * Compromis entre * Complexité des étapes bec d'oiseau et * Maîtrise des étapes délicate (planarisation) épaisseur de SiO2 * Coût du procédé et des équipements * Surcoûts en équipement pour aller plus loin Construction du futur? Bulk vs SOI Ce transparent résume les principaux avantages et inconvénients des constructions d'isolation latérale : LOCOS et tranchées Ce sont des techniques actuellement en pleine évolution, et il semble difficile de déterminer quelles seront les techniques qui se développeront dans l'avenir, pour des règles de dessin inférieures: LOCOS, tranchées, ou construction intermédiaire entre LOCOS et tranchée. Page : 20