Une technologie est la définition de la chronologie des modules de bases.

Transcription

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2 Une technologie est la définition de la chronologie des modules de bases. 2

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4 L objectif principal de la technologie est de disposer dans un même circuit intégré, un ensemble de dispositifs électroniques et principalement des transistors. Ces transistors doivent être Isolés les uns des autres Interconnectés selon le schéma défini par le concepteur du circuit. Un circuit intégré est un empilement de couches successives sur un substrat, en vue d obtenir un dispositif tel qu un transistor. Les objectifs au niveau de la technologie sont, en particulier: L utilisation optimale de la surface de silicium, en disposant les transistors de la manière la plus «compacte» possible. La réalisation de circuits de plus en plus complexes (nombre de transistors/circuits, densité d intégration, règle de dessin, ) 4

5 Les opérations de fabrication d un circuit intégré sont une successions d étapes élémentaires: Traitement thermique Dopage Gravure Photolithographie Dépôts Les transparents suivants donnent quelques principes et critères généraux concernant ces opérations de fabrication. Les détails de ces opérations font l objet de cours plus spécialisés. 5

6 La photolithographie permet de délimiter des zones à la surface de la plaquette pour les traiter différemment du reste de la surface lors d une opération ultérieure (gravure, dopage, etc.) Le principe est de former une image (pochoir) dans une couche de résine photosensible déposée sur la plaquette. Le processus de lithographie se décompose donc de la manière suivante: Couchage d un film de résine photosensible sur la plaquette Insolation de film à travers un masque ou un réticule Développement de l image. Lorsque de développement élimine les parties de résines exposée le système est dit positif. Les surface ainsi dégagées subiront les traitements ultérieurs. Les deux grandeurs caractéristiques en lithographie sont: La résolution ou la dimension de trait la plus petite réalisable. L alignementou la précision de positionnement entre les images successives ou niveaux. 6

7 Pour descendre en résolution, on diminue la longueur d onde d insolation. Pour les technologie 1µ et supérieure on utilise la raie G du mercure. Pour les technologies entre 0,5µ et 1µ on utilise la raie I du mercure. Pour les technologies inférieures on utilise des longueurs d onde de plus en plus courtes émise dans l UV ou l extrême UV. 6

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9 Pour les technologies supérieures à 1µ l image est transférée depuis un masquesur le quel toutes les puces sont représentées à l échelle 1. Les machine d insolation s appelle des aligneurs. Pour les technologie inférieures l image est transférée depuis un réticulequi est l image d une seule puce grossie entre 5 et 10 fois. Les machines utilisées sont des photo répéteur ou steppers. L image du réticule est projeté en réduction sur la plaquette. Après l insolation d une puce, la plaque est déplacée pour l isolation de la puce suivante. Cette technologie permet d assurer la performance d alignement par un réglage fin à chaque puce. 8

10 La lithographie directe sur tranche ou par faisceau d électronique (ebeam) n utilise pas de masque. Dans cette technique la résine est insolée par un faisceau d électrons piloté par déflexion électrique. Le système se comporte donc comme un traceur directement piloté par les données de dessin issues de la conception des circuits. Cette technique est utilisée pour fabriquer les masques et réticules (maskshop). Elle est parfois utilisée en production (dessin des niveaux de métal circuits spéciaux à forte valeur ajouté) 9

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12 La gravure permet d attaquer un matériau présent sur la plaquette dans des zones non protégées par un masque. Les deux paramètres importants pour la gravure de motifs sont l anisotropie de gravure qui assurera le respect des dimensions du masque sur toute l épaisseur gravée et la sélectivité au masque et à la sous-couche. La gravure peut s effectuer avec des réactifs chimiques liquide (généralement des acides forts comme l acide fluorhydrique). La «gravure liquides» est généralement de nature isotrope. C est à dire que l on grave la couche dans toute les direction. Il y a don une perte de dimension latérale par rapport au dessin du masque en fonction de la profondeur gravée. Ce phénomène, compte tenu des épaisseurs des couches utilisées pour la fabrication des composant, ne permet pas de réaliser les technologies inférieures à 3µ. La technique de gravure par plasma a été développée pour fournir une gravure anisotrope. Après gravure humide, les plaquettes doivent être rincées à l eau désionisée pour éliminer toute trace de réactifs. 11

13 La gravure humide s applique encore pour l élimination totale de couche (sans définition de motifs). 11

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15 Les dépôts ont pour objectif de déposerun composé à la surfacedu substrat. 13

16 Ce transparent illustre les différentes techniques utilisées pour réaliser les dépôts. Les plus utilisées actuellement sont affichées en gras La technique CVD (Chemical Vapor Deposition) repose sur la décomposition d un gaz dans un réacteur, sous l action de la température. Cette décomposition libère un élément solide qui se dépose à la surface des plaquettes. Par exemple le SiH4 se décompose en Si qui se dépose et H2 volatil. La techniques de CVD (Chemical Vapor Deposition) possède les variantes suivantes: A basse pression (LPCVD ou Low Pressure Vhemical Vapor Deposition) Assisté par plasma (PECVD ou Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) Pour les nouvelles générations de composant la technique ALD (Atomic Layer Deposition) permet d élaborer des couches mono-atomique. La pulvérisation est une technique qui repose sur le bombardement d une cible par un gaz pour arracher mécaniquement des atomes de la cible. 14

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18 L oxydation est un exemple de traitement thermique. Son but est de faire croîtreune couche d oxyde de silicium sur le substrat. Le principe est une réaction chimique, à chaud, entre une atmosphère oxydante (oxygène pur ou vapeur d eau) et le silicium du substrat. L oxydation est un phénomène de diffusion qui consommedu silicium pour le transformer en oxyde. 16

19 Le dopage a pour objectif d introduire des atomes dans le cristal de silicium pour en modifier les caractéristiques de conduction électrique. Tant que ces atomes n ont pas trouvé leur place dans le réseau cristallin on parlera «d impuretés». Après un recuit (d activation) ces «impuretés» trouvent leur place dans le réseaux cristallin et modifie la structure de bande donc la conduction électrique. On parle alors de «dopant». Les impuretés peuvent être introduite dans le silicium par diffusion thermique (l activation est alors associée au processus de diffusion) ou par implantation (bombardement du silicium par un faisceau d atomes électriquement chargés et accélérés). 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 fonction: De la dose de dopants (exprimée généralement en atomes/cm²) De l énergie de bombardement (exprimée en kev) 17

20 Le profil de dopage (concentration du nombre de dopant en fonction de la distance à la surface) peut être modélisé numériquement. Il peut également être caractérisé par différentes techniques de mesure. Le dope joue un rôle essentiel dans les caractéristiques électrique des composants. Le dopage du canal d un transistor MOS est un des principaux paramètres de réglage pour une filière donnée. 18

21 Quelles sont les contraintes de fabrication d un circuit intégré pour optimiser au mieux la surface utile de la puce? Il faut réaliser des dispositifs électrique, principalement des transistors, sur un même substrat. Il faut disposer les transistors de la manière la plus «compacte» possible, tout en limitant les risques d interaction. Il faut relier électriquement ces transistors selon un schéma défini par le concepteur. Il faut donc réaliser : Des transistors Une isolation latérale entre les transistors Des interconnexions 19

22 Dans l enchaînement des modules de base constituant une technologie N MOS, nous retrouvons trois grandes étapes: La réalisation de l isolation entre les composants, c est-à-dire l isolation latérale La construction du transistor lui-même La réalisation des interconnexions qui relient les transistors entre eux et assure l isolation verticale. 20

23 Pour limiter les risques d interactions entre transistors, il existe deux solution sur silicium massif (bulk): Eloigner au maximum les transistors les uns des autres, ce qui ne permet pas une bonne intégration. Intercaler une zone isolante entre les transistors: par exemple une zones d oxyde SiO2 appelée LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon). Ceci permet de rapprocher les transistors, donc d améliorer l intégration. La réalisation de cette isolation est l objet du module de base appelé ISOLATION 21

24 Le transistor (MOS) constitue la partie active du point de vue électrique. La construction du transistor est l objet du module de base appelé TRANSISTOR. 22

25 Les caractéristiques dimensionnelles importantes pour le fonctionnement d un transistor sont: La longueur de la grille. La largeur du transistor L épaisseur de l oxyde de grille Le taux de dopage du canal. Ces caractéristiques déterminent la courbe de fonctionnement du transistor et en particulier: La tension de seuil Le niveau de courant de saturation. Il existe d autres grandeurs importantes pour décrire et prévoir le fonctionnement d un transistor. Les grandeurs indiquées ci-dessus interviennent directement lors de la fabrication du transistor. 23

26 Le mode de base INTERCONNEXION permet de réaliser la liaison entre les transistors et les autres dispositifs électriques du circuit. La réalisation des interconnexion passe par deux étapes: Le dépôt d une couche d isolant sur le transistor, pour assurer à la fois l isolation électrique et la protection mécanique. Le dépôt et la gravure d une couche conductrice, les interconnexions elles-mêmes. 24