La réalisation de l'isolation

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1 La réalisation de l'isolation A partir d'un substrat Si de type P Croissance d'un oxyde de piédestal (oxydation) 120Α Dépôt d'une couche de nitrure de silicium (LPCVD) 800Α Nous allons maintenant décrire en détail l'empilement des différentes couches permettant de construire un transistor N MOS complet. Le détail des constructions, pour chaque module de base, n'est pas donné. Nous nous contentons dans ce chapitre d'une description de l'empilement et des principales caractéristiques des couches. Les deux premiers transparents suivant présentent la réalisation de l'isolation latérale : - Définition de la zone de locos - Formation du locos. Pour réaliser une oxydation localisée du silicium il faut disposer d un masque à l oxydation. Ce masque ne peut pas être en résine photosensible car ce matériau ne résiste pas aux conditions d oxydation. Nous allons utiliser une couche de nitrure de silicium. En effet le Si3N4 s oxyde beaucoup lentement que le silicium et peut donc jouer le rôle de masque. Les couches de nitrures déposées sont fortement contraintes. Pour éviter que cette contrainte ne génère des défauts en surface du silicium, nous commençons par faire croître un oxyde «piédestal». Le nitrure est ensuite déposé par LPCVD sur cette couche tampon. Page : 1

2 La réalisation de l'isolation - 2 Dépôt d'une couche de résine photosensible Définition des zones actives (photolithographie) Résine Nitrure de silicium Oxyde piédestal Gravure du nitrure Implantation ISOSUB : mise à nu des zones de croissance du LOCOS : dopage localisé B B P+ P+ Nous avons donc construit les couches qui serviront de masque à l oxydation. Il faut maintenant définir les motifs dans cette structure. Une couche de résine photosensible est donc déposée en surface puis insolé à travers un masque souvent appelé «Zone active» car ses motifs définissent la zone dans laquelle seront créés les transistors (les composants actifs). Après développement de l image, la couche de nitrure est totalement gravée et la couche d oxyde piédestal partiellement consommée. Pour compléter l isolation galvanique du LOCOS nous ajoutons un léger dopage de type P par un implantation de Bore autoalignée. Page : 2

3 La réalisation de l'isolation - 3 Elimination de la résine Nitrure de silicium Oxyde piédestal Croissance du locos (oxydation à 950 C) 6000Α LOCOS LOCOS Ne pas oublier d éliminer la résine avant l étape d oxydation thermique. L oxydation du silicium se fait sur 600nm en atmosphère humide. L oxydation est un phénomène isotrope ce qui explique la forme particulière du bouchon d oxyde. L oxydation latérale provoque le soulèvement du masque de nitrure. Pendant l oxydation, le dopage au Bore est activé et la dose, repoussée par le front d oxydation est répartie sur tout le fond du LOCOS. L oxydation du nitrure est faible mais non nulle. Donc pendant la croissance du LOCOS, une couche superficielle d oxyde se crée dans le masque de nitrure. Page : 3

4 La réalisation de l'isolation - 4 Retrait du masque à l'oxydation : - oxynitrure formé (gravure chimique humide HF) - nitrure de silicium (gravure chimique humide H3PO4) - oxyde piédestal (gravure chimique humide HF) Croissance d'un oxyde sacrificiel (oxydation) 450Α Oxyde sacrificiel Pour cette raison, l élimination du masque commencera par une étape de désoxydation dans une solution de HF (acide fluorhydrique) Ensuite le nitrure sera élminé par une solution d acide orthophosphorique très sélective à l oxyde. Enfin c est l oxyde pidestal qui est retiré. Lors de l élimination du masque les phases d élimination d oxyde retirent également une partie du LOCOS. Tout au long de la fabrication du dispositif, différentes étapes de nettoyage ou de retrait oxyde éroderont progressivement le LOCOS. Le concepteur de la filière doit donc prévoir cette érosion par l étude fine de la séquence de fabrication pour les compenser à la création du LOCOS pour obtenir l épaisseur final correspondante aux critères électriques du dispositif final. Le retrait du masque à l oxydation termine les opération du module «isolation». Nous entamons maintenant le module «transistor» par la croissance d un oxyde sacrificiel. Page : 4

5 La réalisation du transistor - 1 Dopage du canal conducteur (bore à 10e12/10e13 atomes/cm²) B Dopage canal Retrait de l'oxyde sacrificiel (gravure chimique humide HF) Croissance de l'oxyde de grille (oxydation) Α L oxyde sacrificiel sert à l homogénéisation de l implantation de la dose du canal ainsi qu à capturer les impuretés apportées par cette opération. L implantation de canal est un paramètre essentielle pour les caractéristiques du transistor. Elle donne généralement lieu à de multiples variantes de la part des ingénieurs filières qui cherchent ainsi à optimiser leur composant. Après implantation, l oxyde sacrificiel est retiré. On passe ensuite à l une des étapes les plus exigeantes en terme de qualité de matériau, la construction de l oxyde de grille. La qualité de l oxyde et de l interface avec le silicium est essentielle pour un bon fonctionnement du transistor. Cette étape thermique active également l implantation du canal. Page : 5

6 La réalisation du transistor - 2 Formation de la grille : - dépôt silicium polycristallin (LPCVD) - dopage silicium cristallin par Phosphore (implantation ou dopage en phase vapeur POCl3) Si poly dopé N Oxyde de grille Retrait de l'oxyde formé (gravure chimique humide FH) Dépôt d'une couche de siliciure (Tantale ou Tungstène) LOCOS TaSi2 ou WSi2 Si poly dopé N Oxyde de grille Nous allons maintenant construire la grille du transistor. L aluminium initialement utilisé pour faire la grille du transistor MOS n est pas compatible avec les traitements thermique que doit subir la plaquette dans la suite des opérations. L électrode de grille est donc réalisée en silicium polycristallin déposé par LPCVD. Pour rendre cette couche fortement conductrice il est nécessaire de la doper à saturation. C est le rôle d une diffusion thermique de phosphore à partir de POCl3 qui permet de descendre la résistivité de la couche à environ 28OhmCarré. Cette étape de dopage est légèrement oxydante (présente d oxygène dans la réaction) elle doit donc être suivi d une désoxydation. Dans notre exemple nous avons double la grille par une couche de siliciure métallique déposé par pulvérisation cathodique. Page : 6

7 La réalisation du transistor - 3 Définition de la grille (photolithographie) Résine TaSi2/WSi2 Si N Gravure de la grille (gravure chimique des couches) Réoxydation Réalisation des sources et drains (implantation As) As Réoxydation N+ N+ Une nouvelle étape de photo lithographie va permettre de définir le motif de grille. Il s agit là de la lithographique la plus critique. Puis que la longueur de grille (le motif créé ici) est la dimension la plus petite tracée sur un circuit. Pour terminer notre transistor il nous reste à définir les électrodes Drain et Source. Après une petite oxydation de surface, un dopage forte dose à l arsenic, autoalligné sur la grille et le locos qui borne la zone active, vas former les deux poches N+ correspondantes à nous deux dernières électrodes. Page : 7

8 La réalisation des interconnexions - 1 Dépôt et fluage de deux couches de verre protecteur (four ou recuit lampe) BPSG = Boro Phospho Silicate Glass USG = Undoped Siliciate Glass Activation des dopants BPSG USG Définition et gravure des zones de prise de contact sur le silicium ou le siliciure (photolithographie) Les deux transparents suivant décrivent la réalisation des interconnexions : - Dépôt de couches de verre protecteur - Ouverture des zones de prise de contact - Dépôt d'une couche conductrice - Gravure des connexions Page : 8

9 La réalisation des interconnexions - 2 Réalisation d'une couche barrière de Titane et nitrure de Titane Dépôt d'une couche d'aluminium-cuivre Gravure des connexions (photolithographie) Recuit sous gaz inerte (forming gas) Connexion Bande de connexion AlCu Ti/TiN BPSG USG Page : 9

10 Les points clés de chaque étape L'ISOLATION Qualité de l'isolation niveau de consommation faible Définition de la largeur du transistor Le TRANSISTOR Les INTERCONNEXIONS Qualité de l'oxyde de grille contamination -> charges parasites Epaisseur de l'oxyde de grille modifie les caractéristiques électriques Dimensions de la grille du transistor dimensions=caractéristique électrique définie Dose de dopage du canal conducteur définit les caractéristiques électriques du transistor Contact entre transistors définissent le bon fonctionnement du circuit Dimension des bandes de connexion risque de court-circuit Continuité des bandes de connexions Risque de circuit ouvert Page : 10