Techniques de dépôt de couches minces

Transcription

1 Approche Top-down Techniques de dépôt de couches minces Sylvia Matzen Maître de conférences Université Paris-Sud / CNRS

2 Le transistor Source Grille Isolant Canal Substrat Semiconducteur Drain

3 Source Le transistor MOS Métal Oxyde Semiconducteur Substrat Semiconducteur Drain

4 Transistor MOSFET à canal N Source électrons Grille non polarisée: V G =0 Grille Isolant trous Substrat de type P Drain: V D >0 électrons interrupteur ouvert

5 Transistor MOSFET à canal N Grille polarisée: V G >0 Source électrons Grille Isolant électrons Drain: V D >0 électrons interrupteur fermé

6 Matériaux en couches minces dans un transistor contact source grille isolant drain substrat semiconducteur

7 Substrat: wafer de silicium Si Silicium (Si): - semi-conducteur - très pur ( %!) - cristallin Zoom: cristal de silicium < 1 mm

8 Matériau en couche mince substrat contaminants Techniques de fabrication sous vide pompage Choix de la technique matériaux? épaisseurs? arrangement cristallin des atomes?

9 Méthodes de dépôt Physiques Physical vapor deposition Chimiques Chemical vapor deposition

10 Dépôts physiques en phase vapeur Physical vapor deposition Substrat Condensation Formation d un film mince Atomes évaporés Matériau solide à déposer

11 Dépôts chimiques phase vapeur Chemical vapor deposition Précurseurs gazeux Adsorption en surface Réaction chimique Substrat Formation d un film mince

12 Méthodes de dépôt Physiques Physical vapor deposition Substrat Condensation Formation d un film mince Chimiques Chemical vapor deposition Introduction de précurseurs gazeux Matériau solide à déposer en couche mince Atomes évaporés Adsorption en surface Réaction chimique Formation d un film Substrat mince

13 Méthodes de dépôt physique: Evaporation Substrat Atome évaporé matériaux? métaux épaisseurs? 10 nm-1µm arrangement des atomes? amorphe Source chauffée

14 Epitaxie (MBE): Contrôle de la température et faible pression arrangement des atomes? cristallin Importance de la structure cristalline du substrat film Contraintes d épitaxie substrat compression tension Défauts, dislocations Nouvelles structures & propriétés!

15 Méthodes de dépôt physique Evaporation - MBE substrat Cellules de Knudsen Atomes évaporés Epitaxie (MBE): Contrôle de la température et faible pression matériaux? complexes épaisseurs? nm (faible vitesse de dépôt) arrangement des atomes? cristallin

16 Méthodes de dépôt physique Pulvérisation cathodique substrat/anode + - ions E + + atomes pulvérisés cible/cathode collisions Création d un plasma qui pulvérise les atomes de la cible matériaux? conducteurs, isolants, complexes épaisseurs? 1 nm - 1 µm arrangement des atomes? amorphe - cristallin Uniformité sur grande surface Haute énergie des atomes fortes contraintes

17 Méthodes de dépôt chimique CVD Chemical Vapor Deposition Exemple: oxydation thermique du silicium Réaction chimique substrat Précurseurs gazeux Adsorption matériaux? alliages complexes, semiconducteurs, isolants épaisseurs? 10 nm - 1 µm arrangement des atomes? amorphe cristallin

18 Méthodes de dépôt chimique Croissance couche par couche ALD Atomic Layer Deposition

19 Caractérisations des couches minces substrat matériau? composition chimique spectroscopie épaisseur? caractérisation optique arrangement des atomes? structure cristalline diffraction de rayons X

20 Caractérisations des couches minces Exemple: microscopie électronique à transmission Observation de l arrangement atomique d une couche mince en coupe Couche mince Plusieurs modes: contraintes composition chimique structure cristalline Substrat 2 nm 2 nm

21 Contact: Pulvérisation cathodique Grille: poly-si CVD Isolant: SiO 2 ou high «k» oxydation ou CVD wafer de de silicium?

22 Crédits Substrats de silicium 2 fixés sur le porte échangllon de la chambre d'évaporagon sous vide par canon à électrons, avant dépôt métallique. Laurence MEDARD/CNRS Photothèque