TRAVAUX PRATIQUES MICROSYSTEMES. ENSERG/ENSPG 3A Option Dispositifs et Microsystèmes. Séance S1

Transcription

1 Année Universitaire 2004/2005 TRAVAUX PRATIQUES MICROSYSTEMES ENSERG/ENSPG 3A Option Dispositifs et Microsystèmes Séance I Le simulateur Athena II Le Layout ( masque ) III Aperçu des étapes technologiques IV Oxydation thermique V Lithographie et gravure de l oxyde épais VI Implantation ionique VII Recuit rapide d activation (RTA) VIII Connexions en aluminium IX Micro usinage de volume de la face arrière X Exemple de fichier de simulation Responsable : Laurent Montès montes@enserg.fr Enseignants : Yannis Leguennec, Laurent Montès Laurent Montès / ENSERG-INPG 71

2 Séance Simulation Technologique avec Athena Afin de prévoir diverses caractéristiques des transistors et microsystèmes réalisés, on a recours à la simulation. Le concepteur en microélectronique est habitué aux outils de simulation au niveau circuit. Il s agit des outils de type Spice. Ces outils simulent des schémas électriques parfois complexes, en utilisant des modèles de composants élémentaires. Ils peuvent ensuite effectuer d autres simulations lorsque le concepteur a réalisé le layout de son circuit afin d obtenir un résultat plus fin en tenant compte de certains éléments parasites qui n étaient pas prévus dans le schéma. Ce type d outil est le seul utilisable dans le cas de la simulation de systèmes complexes. En revanche, lorsque l on s intéresse à des composants élémentaires tels ceux que l on a fabriqués en salle blanche, et que l on doit mettre au point leur processus de fabrication et optimiser leurs performances, on doit utiliser un autre type d outil travaillant au niveau du silicium. Les résultats ainsi obtenus pourront être inclus dans le simulateur de circuits pour concevoir des produits dans la filière développée. On distingue deux grandes étapes de simulation, qui ont fait l objet de deux séances de travaux pratiques : la simulation technologique et la simulation électrique. Nous allons utiliser deux simulateurs différents Athena et Atlas de la société américaine Silvaco intégrés sous la même interface utilisateur. Ce type d outil est connu sous la dénomination TCAD pour technology computer aided design. Cette partie de la simulation technologique consiste en la simulation des processus de fabrication. Les principales étapes technologiques sont prises en compte par le simulateur qui contient de nombreux modèles mathématiques afin de modéliser ces étapes. La simulation des processus technologiques permet d améliorer considérablement les capacités d analyse du concepteur de filières de circuits intégrés et microsystèmes. Celui-ci peut jouer beaucoup plus finement qu auparavant sur les paramètres de la technologie. Il peut obtenir un résultat beaucoup plus rapidement que par l expérience. Il faut cependant se montrer prudent et critique envers les résultats donnés par le simulateur, tout comme lorsque l on doit analyser des résultats de mesures. I Le simulateur Athena Athena est un simulateur de processus technologiques. Il permet de prévoir la structure que l on obtiendra en fonction des différents paramètres de fabrication. Il travaille en 1 ou 2 dimensions ; la dimension y est la profondeur de la plaque de silicium et on peut ajouter une dimension x représentant un axe longitudinal de la structure étudiée. Les premières étapes sont généralement simulées en une dimension afin de diminuer le temps de simulation. En revanche, dès la première lithographie, la structure devient bidimensionnelle. L utilisateur entre la géométrie des différentes étapes de fabrication, soit manuellement en saisissant des jeux de coordonnées, soit à partir d une coupe réalisée dans le jeu de masques qui sert à la fabrication du dispositif. Le simulateur ne fonctionnant pas en 3 dimensions, on doit se contenter de coupes, on ne peut simuler le processus correspondant au dispositif complet. L utilisateur saisit également les différents paramètres qui entrent en jeu dans ces étapes technologiques. Ces paramètres peuvent être : Paramètres d implantation : type d ion implanté, dose implantée, énergie d implantation, angle d incidence du faisceau. Laurent Montès / ENSERG-INPG 72

3 Paramètres de diffusion : température du four, durée de la diffusion, nature du gaz introduit dans le four (oxygène ou vapeur d eau pour réaliser une oxydation, azote dans le cas d une simple diffusion ou activation des impuretés), pression, Dépôt de matériau : type de matériau déposé (oxyde, nitrure, silicium polycristallin, métal, résine photosensible), épaisseur du dépôt. Paramètres de gravure : type de matériau gravé, épaisseur maximale enlevée, gravure humide ou sèche, On saisit également le maillage de la structure, c est-à-dire l ensemble des points où seront résolues les équations différentielles des modèles. Les grandeurs calculées seront alors interpolées à l ensemble de la structure. Athena réalise alors la simulation du processus de fabrication. Il génère une structure comportant la géométrie des empilements des différents matériaux ainsi que les concentrations en impuretés résultant des opérations de dopage. Il permet aussi d extraire certains paramètres de la structure fabriquée (épaisseur d une couche, concentration en impureté d une zone, ). Il est vivement recommandé d enregistrer une structure après chaque étape du processus et de la visualiser. II Le Layout ( masque ) Nous allons utiliser comme point de départ le jeu de masques des séances de travaux pratiques d élaboration ayant eu lieu en salle blanche. Nous nous intéresserons plus particulièrement à la simulation des parties du masque correspondant au capteur de pression. Cependant, Athena n étant pas un outil spécialement dédié aux microsystèmes incluant des parties mécaniques, les seules parties intéressantes sont les jauges piézo-résistives. Il faut donc effectuer une coupe dans le masque au niveau des jauges de différents types, avec l outil Maskview. Une vue du masque complet est donnée par la Figure 1. L outil affiche les différents niveaux du layout. On peut choisir de cacher certains niveaux. Ici, le layout comprend 5 niveaux : Le niveau Via correspond au masque utilisé pour définir la zone de gravure de l oxyde épais de la face avant. Il ne correspond en aucun cas à une connexion entre niveaux de métal comme son nom pourrait le laisser supposer. Il sert donc à déterminer l emplacement des jauges implantées de monosilicium ainsi que les zones actives des transistors MOS. L oxyde est gravé aux endroits où le niveau apparaît dans le layout. Le niveau Poly correspond au silicium polycristallin, ce dernier est gravé en dehors de la zone définie. Le niveau Alu correspond aux contacts en aluminium, ce dernier est gravé en dehors de la zone définie. Le niveau Back correspond au masque utilisé pour définir la zone de gravure de l oxyde épais de la face arrière, cet oxyde étant utilisé comme masque pour la gravure du silicium. Le niveau Membr n est pas un niveau réel. Il ne correspond à aucune étape technologique. Il délimite simplement la géométrie prévue de la fine membrane de silicium. En effet celle-ci est différente de l ouverture de la face arrière en raison de l anisotropie de l attaque KOH dont les flancs de gravure ne sont pas verticaux. Laurent Montès / ENSERG-INPG 73

4 Figure 1 : Masque complet affiché avec l outil Maskview III Aperçu des étapes technologiques Les étapes du processus technologique sont décrites selon le langage de description utilisé par Athena. Il n est pas necessaire de simuler systématiquement l ensemble du processus, la partie relative au silicium polycristallin par exemple n est pas nécessaire lorsque l on intéresse aux jauges implantées, car il n est pas présent dans la partie du dispositif étudiée. Cette simplification n est pas obligatoire, il est envisageable de déposer une couche de matériau qui sera gravée intégralement. Ceci est même parfois souhaitable lorsque une couche est obtenue par traitement thermique. Ce dernier peut en effet modifier les propriétés de l ensemble de la plaque (diffusion d impuretés par exemple). Laurent Montès / ENSERG-INPG 74

5 La succession des étapes de simulation est la suivante : Importation de la coupe définie dans le jeu de masques. On notera que le maillage de la structure est défini dans l outil Maskviews avant de définir la coupe. Définition du substrat de départ : silicium d orientation cristalline <100> dopé au bore à une concentration de atomes/cm². Oxydation épaisse de la face supérieure du substrat Retournement de la plaque et dépôt d une couche d oxyde similaire Retournement de la plaque pour revenir à la face supérieure 1 ère étape de lithographie correspondant à l ouverture de l oxyde épais au niveau des jauges en monosilicium Gravure anisotrope de l oxyde épais Retrait de la résine Implantation de phosphore. L oxyde épais sert de masque. Dépôt de polysilicium (si nécessaire) 2 ème étape de lithographie pour définir la géométrie du polysilicium (si nécessaire) Gravure sèche du polysilicium (si nécessaire) Retrait de la résine (si nécessaire) Recuit rapide d activation des impuretés (RTA) Dépôt d aluminium 3 ème étape de lithographie correspondant au niveau des connexions en aluminium Gravure isotrope de l aluminium Elimination de la résine Retournement de la plaquette et lithographie de la face arrière Gravure de l oxyde épais de la face arrière Gravure anisotropique du silicium de la face arrière selon la géométrie des ouvertures de membranes mesurées Une fois les étapes technologiques décrites, vous pouvez lancer le simulateur avec différentes coupes effectuées dans le masque. Dans un premier temps, vous simulerez une coupe du capteur de pression situé au centre du réticule et contenant une jauge monocristalline implantée. Sa localisation est donnée par la Figure 2. Laurent Montès / ENSERG-INPG 75

6 Figure 2 : Position de la coupe contenant une jauge en monosilicium IV Oxydation thermique Pendant l élaboration technologique, une seule étape a été nécessaire à l oxydation thermique des deux faces de la plaque de silicium. Dans Athena deux étapes sont nécessaires (une par face). IV.1. Croissance d oxyde thermique sur la face avant L oxydation thermique est un phénomène de diffusion, qui nécessite un temps de calcul relativement important. Il faut en effet calculer l évolution de l épaisseur d oxyde ainsi que le déplacement de l interface. Le profil de dopage est également modifié par ce traitement thermique : il y a diffusion des impuretés et ségrégation à l interface. Dans notre cas, c est-àdire pour un dopage du substrat au bore, ce phénomène de ségrégation se traduit par une consommation d impuretés dans le silicium à l interface, ce que l on observe sur la Figure 3. Avec du phosphore, vous pouvez observer l effet inverse, à savoir une augmentation de la concentration d impureté à l interface. Vous simulerez l oxydation thermique en donnant comme paramètres d entrée au simulateur les durées et les températures d oxydation. Il faut décomposer cette simulation en 3 étapes : Une élévation de température du four en présence d azote selon une rampe linéaire en fonction du temps. un pallier en atmosphère oxydante humide une décroissance linéaire en présence d azote également. Vous pouvez alors extraire l épaisseur d oxyde simulée. Laurent Montès / ENSERG-INPG 76

7 Figure 3 : Coupe 1D de la structure après oxydation thermique IV.2. Calibrage de l oxydation thermique Le simulateur ne donne jamais une vue exacte de la réalité. En ce qui concerne l oxydation thermique, la croissance de l oxyde dépend de nombreux paramètres pris en compte ou non dans le modèle utilisé. Certains de ces paramètres dépendent du traitement de surface des plaquettes (nettoyage), de l équipement utilisé ainsi que de l environnement. Ces paramètres n étant pas accessible, la solution retenue pour obtenir des simulations précises est de comparer les résultats simulés aux mesures effectuées sur les plaques de silicium. Temps d oxydation Epaisseur d oxyde obtenue Atmosphère humide Atmosphère sèche T=900 C T=1000 C T=1100 C T=1100 C Vitesse d oxydation (Ang/min) Atmosphère humide Atmosphère sèche T=900 C T=1000 C T=1100 C T=1100 C Laurent Montès / ENSERG-INPG 77

8 IV.3. Dépôt d oxyde sur la face arrière Pour gagner du temps, nous allons remplacer l oxydation thermique par un dépôt pour la face arrière. L épaisseur de ce dépôt est choisie égale à l épaisseur obtenue sur la face avant. En effet, la concentration de dopant n est pas un paramètre important pour cette face. On obtient la structure de la Figure 4. Le profil de dopage est resté uniforme, et il n y a pas d impureté dans l oxyde. Figure 4 : Coupe 1D de la structure après retournement et dépôt d oxyde V Lithographie et gravure de l oxyde épais Athena réalise en une seule étape le dépôt de résine et son développement selon la géométrie du masque. La première lithographie concernant les ouvertures de l oxyde épais afin de réaliser les jauges implantées (Figure 5). L étape suivante est une gravure de l oxyde épais (Figure 6). Figure 5 : Lithographie des ouvertures de l oxyde épais Laurent Montès / ENSERG-INPG 78

9 Figure 6 : Gravure de l oxyde épais VI Implantation ionique Afin que les jauges en silicium monocristallin soient opérationnelles, il faut simuler une opération de dopage par implantation ionique. Ceci permettra d augmenter la conductivité des jauges et de changer de type par rapport au substrat de base qui est peu dopé (type p avec atomes de bore par cm 3 ). Dans notre cas, l impureté implantée était le phosphore, impureté donatrice (type N). Athena permet de simuler le profil de dopage obtenu après implantation. Il propose deux types de modèles : analytique et statistique. Le premier type utilise une formule analytique de la distribution des impuretés (distribution gaussienne, de Pearson, ou de Pearson double) dont les moments proviennent de tables obtenues généralement de façon expérimentale. Le modèle statistique utilise un code de calcul de type Monte-Carlo qui simule le trajet d un ion implanté dans le cristal de silicium en considérant les interactions subies avec les atomes du réseau et avec les impuretés déjà présentes. En effectuant ce calcul un grand nombre de fois avec des particules présentant une trajectoire initiale différente, on obtient une répartition statistique des impuretés dans le substrat et on en déduit le profil de dopage. Dans notre cas, nous allons utiliser le modèle analytique avec un profil gaussien qui nécessite moins de temps de calcul. Vous pouvez alors extraire la profondeur de jonction après implantation et visualiser la répartition bi-dimensionnelle des impuretés (un exemple est donné Figure 7). VII Recuit rapide d activation (RTA) L implantation ionique est une opération qui provoque des défauts dans la structure cristalline. Afin de guérir ces défauts et d activer électriquement les impuretés, on procède à un recuit rapide d activation (RTA). Ce recuit a aussi pour conséquence de faire diffuser les impuretés et donc de modifier le profil de dopage. Afin que cette modification soit prise en compte, il faut simuler cette diffusion. Laurent Montès / ENSERG-INPG 79

10 Figure 7 : Dopage de la jauge après implantation Cette simulation (Figure 8) sera décomposée en 3 étapes : l élévation de température du four selon une rampe linéaire en fonction du temps. un pallier une décroissance linéaire. Figure 8 : Dopage dans la structure après diffusion Vous pourrez comparer les profils de dopage obtenus avant et après diffusion. Afin d obtenir un résultat correct, il convient de faire tourner le simulateur avec un maillage correct. Laurent Montès / ENSERG-INPG 80

11 Figure 9 : Répartition mal simulée des dopants après implantation Durée de diffusion Température de diffusion 950 C 1000 C 1020 C VIII Connexions en aluminium Il faut ensuite réaliser une étape de dépôt d aluminium. La Figure 10 donne un aperçu de ces connexions métalliques. On observe également un artefact : une partie de l aluminium en bordure de l oxyde n a pas été gravée. En effet les gravures sont uniquement géométriques, et il suffit d un léger décalage du masque des contacts par rapport à celui de l ouverture de l oxyde épais pour obtenir ce résultat qui n a aucune réalité physique. Laurent Montès / ENSERG-INPG 81

12 Figure 10 : Contacts en aluminium pour connecter la jauge Sur cette figure, seule la section des contacts en aluminium est visible. Si on effectue une coupe dans une direction orthogonale à la précédente, on obtient cette fois le contact complet, comme l atteste la Figure 11. On remarque que le contact est mal simulé par rapport à la réalité. En effet, on observe une discontinuité de l aluminium au franchissement de la marche d oxyde, à cause du fait que l épaisseur d aluminium est inférieure à celle d oxyde. Dans la réalité, le passage entre silicium nu et oxyde ne peut se faire de façon aussi brutale. La gravure employée ne peut donner un tel profil. L aluminium descendra donc progressivement vers le silicium sans une telle cassure. Figure 11 : Piste d aluminium connectée à la jauge Laurent Montès / ENSERG-INPG 82

13 IX Micro usinage de volume de la face arrière Après avoir déposé et gravé l aluminium, il ne reste plus qu à réaliser l ouverture de la membrane du capteur. Pour se faire, il faut retourner la plaque et effectuer la lithogravure de l oxyde de la face arrière qui sert de masque à la gravure du silicium. Cette opération est illustrée par la Figure 12. Figure 12 : Ouverture du masque d oxyde Il ne reste plus qu à graver le silicium (Figure 13). La gravure KOH n est pas connue d Athena, il faut donc définir manuellement la région gravée par ses coordonnées. Pour cela, vous utiliserez les résultats de la mesure des profils des membranes réalisée au profilomètre. Figure 13 : Structure obtenue en fin de simulation Laurent Montès / ENSERG-INPG 83

14 X Exemple de fichier de simulation #Initialisation d Athena et choix de la coupe du jeu de masques go athena cutline=membrane.sec # Initialisation du substrat, orientation cristalline <100>, dopage au bore 1e15 atomes/cm 3 init silicon c.boron=1.0e15 orientation=100 # Enregistrement de la structure générée struct outfile=jauge1.str # Oxydation epaisse : montée en température, plateau en atmosphère oxydante, descente diffus time=20 temp=800 t.final=1100 nitro press=1.00 diffus time=259 temp=1100 weto2 press=1.00 hcl.pc=0 diffus time=20 temp=1100 t.final=800 nitro press=1.00 # Enregistrement de la structure générée struct outfile=jauge2.str # Extraction de l épaisseur d oxyde obtenue par oxydation thermique extract name="oxepais" thickness material="sio~2" mat.occno=1 x.val=100 # Retournement de la structure pour traitement de la face arrière struct flip.y struct outfile=flip.str # Dépôt d oxyde sur la face arrière deposit oxide thick=1.45 dy=0.10 struct outfile=depot.str # Retournement de la structure struct flip.y # Première lithographie d ouverture de l oxyde épais mask name="via" struct outfile=masque1.str # Gravure de l oxyde épais etch oxide dry thick=1.5 struct outfile=gravure1.str # Enlèvement de la résine strip # Dépôt de polysilicium deposit poly thick=0.35 # Lithographie et gravure du polysilicium mask name="poly" etch poly dry thick=0.35 Laurent Montès / ENSERG-INPG 84

15 # Enlèvement de la résine strip struct outf=gravure2.str # Implantation de phosphore implant phosphor dose=3e15 energy=40 gauss fullrot crystal \ lat.ratio1=1.0 lat.ratio2=1.0 struct outfile=implante.str # Recuit d activation composé de 3 étapes de diffusion method compress init.time=0.10 fermi diffus time=10 temp=500 t.final=1020 nitro press=1.00 method compress init.time=0.10 fermi diffus time=0.5 temp=1020 nitro press=1.00 method compress init.time=0.10 fermi diffus time=10 temp=1020 t.final=500 nitro press=1.00 struct outfile=recuit.str # Dépôt d aluminium deposit alumin thick=1 dy=0.10 # Lithogravure de l aluminium mask name="alu" etch alumin thick=1 strip struct outfile=alu.str struct flip.y # Lithogravure de l oxyde épais de la face arrière mask name="back" etch oxide dry thick=1.5 strip struct outfile=ouv_arr.str # Calcul de la position du bord gauche de l ouverture de l oxyde épais extract name="ouvx" max.bound x.pos material="sio~2" x.val=0 y.val= # Micro-usinage de volume de la face arrière du substrat à partir de la géométrie obtenue avec le profilomètre etch silicon start x=$ouvx-115 y=-350 etch cont x=$ouvx+150 y=-50 etch cont x=$ouvx+3350 y=-50 etch done x=$ouvx+3615 y=-350 struct flip.y # Enregistrement de la structure finale struct outf=ouv_memb.str Laurent Montès / ENSERG-INPG 85

16 Laurent Montès / ENSERG-INPG 86