cmos technology : part 2

1

CMOS Technology: part 2CMOS Technology: part 2CMOS Technology: part 2CMOS Technology: part 2

C. Fenouillet-Beranger

SOI Devices Engineer, CEA/LETI & STMicroelectronics, Crolles

2C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011C.Fenouillet-Beranger; Techno des CI – PHELMA 2A 2011

Plan Plan

IntroductionIntroduction– Voir Cours précédent

Chapitre 1: Les outils technologiques de baseChapitre 1: Les outils technologiques de base– Oxidation– Dépôt– Photo-lithographie– Gravure (sèche et humide)– Implantation ionique– L’epitaxie

Chapitre 2 : Exemple de filiere moderneChapitre 2 : Exemple de filiere moderne– Objectif de l’integration– Enchainement des étapes technologiques


Ingénieur Filière Ingénieur Filière

Etapes Elementaires(process/ R&D)

Caractérisation

Photo/Litho

Gravure

Dépôts

Implantation

Recuits

Nettoyages

Assemblage

(Physique, Chimie)


Conception dispositif

Procédés ElementairesDefinition

d’une technologieDesign de produit

Caracterisation

Production

Physique fine

Materiaux (phys/chimie) Phys. Compo

Phys. Compo

Phys. Compo Phys. Compo, Phys. Fond

Electronique, Marketing, Design

Materiau, Gestion

Fabrication


Chapitre 1 : Les étapes technologiques de baseChapitre 1 : Les étapes technologiques de base


Les familles de matériaux utilisés en microelectroniqueLes familles de matériaux utilisés en microelectronique

Type de matériauxType de matériaux MatériauxMatériaux Technique d’integrationTechnique d’integrationSemi-conducteurs Si Substrat, epitaxie

SixGe1-x epitaxie

Isolants SiO2 Thermique ou dépôt

Si3N4 (nitrure de Si) Dépôt

Al2O3 (alumine) Dépôt

HfO2 (oxide d’hafnium) Dépôt

Dopants Type n : As, P,Sb Implantation ionique

Type p : B, In Implantation ionique

Neutre : Ge, Xe Implantation ioniqueMétaux Ni, Co Dépôt

W DépôtTiN DépôtTaN DépôtAl DépôtCu Dépôt


Isolants : SiOIsolants : SiO22 et Si et Si33NN44


L’Oxydation thermiqueL’Oxydation thermique

Si Si

O2

T=900-1000°C

Si

SiO2

Recuit four Oxyde SiO2 « thermique »En surface

Avantage InconvenientProcédé mature

Qualité de l’interface oxyde-silicium excellente

Couches mince (qqs A)

Température élevée

Consomme du Si


Les dépôts d’isolantsLes dépôts d’isolants

Réacteur de dépôt CVD pour oxyde (TEOS) ou Nitrure (Si3N4)– Four à basse pression (LPCVD) – Assisté par plasma (PECVD)

Si Si

SiO2 ou Si3N4

Four : 700°CPlasma : 500°C

Avantage InconvenientBasse temperature

Pas de consommation de Si

Interface avec Si

Qualité du matériaux

precurseur


Exemples de réactions chimiques permettant un dépôtExemples de réactions chimiques permettant un dépôt


La conformité des dépôtsLa conformité des dépôts

Si

SiO2

Si

SiO2e1

e2

e1

e1

e2

e1

e1 =e2 e1 < > e2

Si3N4 Si3N4

Dépôt conformeDépôt conforme Dépôt non-conformeDépôt non-conforme


Propriétés des matériauxPropriétés des matériaux


Le polissage mecano-chimique (CMP)Le polissage mecano-chimique (CMP)


Polissage Mecano Chimique (CMP)Polissage Mecano Chimique (CMP)

Objectif : aplanir une surface Pad

Slurry


Polissage Mecano Chimique (CMP)Polissage Mecano Chimique (CMP)

Action mecanique

Reaction chimique Surface plane

• La planarisation depend beaucoup de l’environnement et de la taille des structures a planariser. Dans la pratique le design d’un circuit tient compte de cette necessité.• Cette technique permet d’obtenir un grand nombre de niveau de metalisation en evitant les topographies importantes


LithographieLithographie


Du Layout au Silicium : Masques et LithographieDu Layout au Silicium : Masques et Lithographie

Grossièrement, on emploie des lentilles pour manipuler la lumière afin de la focaliser, la réduire et graver le wafer à partir du masque.


Photo-lithographie (1)Photo-lithographie (1)

Permet de déposer de la resine (polymère) sur une zone de Si afin de la protéger

Si

résine

Si

résine

masque

UV (248nm ou 193nm)

Si

résine

Zone fragile


Photo-lithographie (2)Photo-lithographie (2)

Si

résine

developpeur

Si

résine

Zone non-protégée

Zone protégée


Les problèmes liés à la résineLes problèmes liés à la résine Le facteur de forme, ou aspect ratio AR = h/CD

– Si AR > Armax (~100) la resine dévelopée se deforme (effet gravitationnel)

Si

h

CD

Si Si

deformation collapse


Exemples de lithographieExemples de lithographie

Résine « collapse »Photo correcte

Siliciumresine


Les limites de la photo-lithographie optique Les limites de la photo-lithographie optique

L’alignement des masques les uns par rapport aux autres (notion d’overlay)

Erreur d’alignement 2 niveaux

Erreur d’alignement3 niveaux


Lithographie ebeamLithographie ebeam

Lithgraphie par faisceau d’electron

Par rapport à la photolithographie, l'avantage de cette technique est qu'elle permet de repousser les limites de la diffraction de la lumière et de dessiner des motifs avec une résolution pouvant aller jusqu'au nanomètre (typiquement 20nm)

Procédé long par rapport à la projection de masque car écriture des motifs


Scanner à immersionScanner à immersion

- La lithographie par immersion consiste à placer le wafer dans un bain liquide qui a un indice de réfraction supérieur à 1

- Le liquide agit donc comme une lentille ou une loupe en grossissant l’apparence du wafer. Le principe est le même que pour la lithographie sèche, il s’agit de focaliser la lumière pour accroître la finesse de gravure.

- La photolithographie par immersion permet de plus facilement augmenter la finesse de gravure

- Les machines sont chères


Extreme UVExtreme UV- La lithographie EUV (Extreme Ultra

Violet) est similaire aux procédés de lithographie classiques actuels

- Rayonnement UV d'une longueur d'ondes de l'ordre de 10 à 15 nanomètres (le rayonnement EUV entre donc dans la gamme des rayons X-mous), en remplaçant les objectifs (ou masques dits « en transmission ») par une série de miroirs de précision (i.e. masques dits « en réflexion »)

- Il permet ainsi une résolution inférieure à 45 nm


Gravure sèche et humideGravure sèche et humide


La gravure « sèche »La gravure « sèche » L’objectif est d’enlever un matériau A selectivement par rapport a

un matériau B à l’aide d’un plasma (reaction chimique et physique)

Si

résine

Si

résine

Ions HBr, CF4,O2 ..

V

E

Résidus de gravure (produits des réactions chimiques)

Si

Après gravure Après élimination résine


ExempleExemple

Si Tranchée

SiSi

Si

SiO2Si3N4


Gravure chimique & physiqueGravure chimique & physique


Comment s’arrête une gravure sèche ?Comment s’arrête une gravure sèche ?

Au temps… Au temps et à la selectivité

A la DFA (détection de fin d’attaque)

p = vitesse gravure x tempsSi derive procédé surgravure, sous gravure…adapté pour les gravure longues (t>>10s)

SiSiO2

Si3N4

SiSiO2

Si3N4

Ex : Gravure selective 1000:1 de Si3N4/SiO2Si derive procédé SiO2 se grave 1000 fois moins vite que Si3N4, donc p reste constant

SiSiO2

Si3N4

SiSiO2

Si3N4

Molecules de SiO2

molécules

temps

Critere de fin de gravure

Ex : on arrête la gravure lorsque l’on detecte les premieres molécules de SiO2. Le temps n’intervient plus.

SiSiO2

Si3N4

SiSiO2

Si3N4 p p p

Gravure ionique Gravure ionique Gravure ionique


Les différents types de gravures sèchesLes différents types de gravures sèches

Anisotrope

SiSiO2

Si3N4

SiSiO2

Si3N4

Gravure ionique

Isotrope

SiSiO2

Si3N4

SiSiO2

Si3N4

Gravure ionique


Exemples de gravures usuellesExemples de gravures usuelles

Espece à graverEspece à graver DFA possible surDFA possible sur ExempleExemple

Si SiO2 Gravure grille

SiO2 Si3N4, Si Espaceurs

Si3N4 Si Espaceurs

SiGe (%Ge>20%) Si,SiO2 Tunnel enterré (SON)


Nettoyage et Gravure HumideNettoyage et Gravure Humide

But : préparer une surface pour un dépôt, enlever des particules ou polymeres résiduel ou retirer de manière isotrope un matériau X

Moyen : attaque chimique (liquide)

NomNom FormuleFormule UtilisationUtilisation

CARO (SPM) H2SO4/H2O2 Decontamination orgranique (eg. retrait resine)

SC1 NH4OH/H2O2/H2O Decontamination particulaire (grave Si)

SC2 HCl/H2O2/H2O Decontamination metallique

HF HF 49% + H2O Gravure SiO2

Acide Nitrique HNO3 (69%) Decontamination organique et metaux lourds

HF/H2O2 HF (49%)+H2O2(30%)+eau Empeche la decontamination metallique durant un nettoyage HF

Acid Phosporique H3PO4 Gravure Si3N4

TMAH (CH3)4NOH(3%) + eau + peroxyde

Gravure Si

HF Dilué HF/H2O Gravure et decontamination particulaire


Exemple : Principe du SC1Exemple : Principe du SC1 Mélange de NH4OH/H2O2/H2O pour un retrait de particules Mecanisme = Oxydation, gravure et repulsion

– Oxydation du Si par H2O2

– Gravure de la couche formée par les ions OH-

– Répulsion électrosatique des particules• Polarisation négative des particules et de la surface par les ions

hydroxydes• Formation d’une couche de chage opposée dans le liquide• Ecran électrostatique

Si

particule

Si

SiO2H2O2

Si

NH4OH

Particule adsorbée Particule adsorbée Gravure SiO2

Si

-------------+ + + + + + + +

- -- -+ +

+

++

H2O2


Exemples et equipementsExemples et equipements

HF Dilué


Exemple de combinaison litho-gravure : La gravure grilleExemple de combinaison litho-gravure : La gravure grille

SiSiO2

Poly-Si

But: definir la grille du transitor

Si

DFA

Si

LithoLitho GravureGravure NettoyageNettoyage

CD grille

Si

GravureGravure

Si Si

CD grille

NettoyageNettoyage

Ex. : resine trop fine


Exemple de gravure GrilleExemple de gravure Grille

Si

Poly-Si


Implantation Ionique et ActivationImplantation Ionique et Activation


L’implantation Ionique : PrincipeL’implantation Ionique : Principe

Ex:PH3PH+P+P++..

courant

Spectro de masse

2eme filtrage par fente Contrôle l’energie des ions

MesureIn-situ de ladoseOu deceleration

Evite la contamination energetique et de dose


L’implantation Ionique : PrincipeL’implantation Ionique : Principe Objectif : definir les zones de dopants utilisée dans le fonctionnement du transistor Moyen : Implantation d’espece de type donneur ou accepteur sous forme d’ions accélérés par

un champs électrique

Profondeur

No

mb

re d

’ato

me

s c

m -

3

Pic d’implantation

surfaceRp

Largeur à mi-hauteurRp

Profondeur

No

mb

re d

’ato

me

s c

m -

3

Pic d’implantation

surfaceRp

Largeur à mi-hauteurRp


Energie et dose des dopants usuelsEnergie et dose des dopants usuels

Type d’implantationType d’implantation EspèceEspèce Energie (keV)Energie (keV) Dose (at/cm²)Dose (at/cm²) RemarquesRemarques

Caisson n B, In 100-200 1 x1012_ 4 x1012

Caisson p As 100-200 1 x1012_ 4 x1012

Pre-dopage grille n+ P 10-30 2 x1015– 5 x1015

Pre-dopage grille p+ B 3-5 2 x1015– 5 x1015

Extension SD n (LDD)

As 0.5 - 2 0.1 x1015– 5 x1015 Souvent appelé Ultra Low Energy (ULE)

Extension SD p (LDD)

B,BF2 B: 0.5-2 ; BF2: 1 - 4 0.1 x1015– 5 x1015

SD n (HDD) As 10-30 1 x1015– 5 x1015

SD p (HDD) B 2-5 1 x1015– 5 x1015

Note : ordre de grandeur pour un transistor de longeur < 100 nmLDD = Lightly Doped Drain ; HDD = Heavy Doped Drain


Exemple d’implantations typiquesExemple d’implantations typiques

As 2e15 15keV

P 6e13 20keV

B 3e12 8keV

As 1e15 1keV

X (nm)

Con

cent

rati

on (

at/c

m 3

)


Pouvoir d’arrêtPouvoir d’arrêtions

resine

Si


L’activation des dopantsL’activation des dopants


Les recuits d’activation et de diffusionLes recuits d’activation et de diffusion


DiffusionDiffusion


ConclusionConclusion


Les « Combos » usuels Les « Combos » usuels

Etapes de dépôts et d’oxydation thermique– Nettoyage Dépôt Mesure d’épaisseur (ellipsométrie)

Etapes de photo-lithographie/Gravure– Photo mesure CD/overlay gravure mesure d’épaisseur du

matériaux servant à la DFA nettoyage résine mesure CD

Etapes de gravure seule– Gravure nettoyage résidus mesure CD mesure mat. DFA

Etapes d’implantations– Lithographie implantation retrait resine

Etapes de recuit– Nettoyage Four


Chapitre 2 : Exemple de Filière ModerneChapitre 2 : Exemple de Filière Moderne


Matériau de départMatériau de départ

Les tranches proviennent de fournisseurs sélectionnés

Un lingot est constitué à partir de silicium hautement purifié.

Procédé Czochralski: croissance de cristaux monocristallins de grande dimension (plusieurs centimètres).- Principe de solidification dirigée à partir d'un germe monocristallin de petite taille. Matériau fondu à une température juste au-dessus du point de fusion, avec un gradient de température contrôlé.

- Le germe est placé dans une « navette » suspendue au-dessus du liquide par une tige.- - Le liquide se solidifie sur le germe en gardant la même organisation cristalline (épitaxie) au fur et à mesure que l'on tire le germe vers le haut tout en le faisant tourner (à vitesse très lente).

- L'opération se passe sous atmosphère neutre (argon ou azote) pour éviter l'oxydation.

Des coupes transversales du lingot sont pratiquées pour former les tranches.


ObjectifObjectif

Réaliser l’intégration complète d’une technologie CMOS avec 2 niveaux d’interconnexion Le schéma d’intégration peut être divisée en différents modules technologiques

Isolation : définition des zones actives de Silicium et de l’isolation entre ces zones

Definition des caissons n & p par implantation ionique

Réalisation de la grille du transistor : oxide de grille et electrode de grille, puis gravure grille

Définition des extensions de source et drain par implantation ionique

Définition des espaceurs et des zones de sources et drain

Activation des dopants

Silicuration des sources/drains

Réalisation des contacts

Premier niveau de metallisation

Connexion vers 2ieme niveau de métallisation

Deuxième niveau de metallisation


Vue Générale du MOSFETs réelVue Générale du MOSFETs réel

source

extensionsource

extensiondrain

drain

canal

Oxyde de grille Tox

Lg

Xext

Isolation latérale

siliciure

LXS/D

2

L2

L

LDiff

contactcontactÉlectrode de grille espaceurs


1- Module d’Isolation 1- Module d’Isolation (STI, (STI, SShallow hallow TTrench rench IIsolation)solation)


Silicium

Nettoyage, HF+RCAOxydation thermique (SiO2 « padox »), 7nmDépôt Nitrure (Si3N4), 100nmDépôt TEOS (SiO2) Masque dur, 50nm


Résine Résine

Photo-lithographie zone active (masque active)

Gravure zone active (profondeur ~ 3000A)Elimination Résine


Nettoyage (HFRCA)Oxydation thermique des tranchée

Remplissage des tranchées par oxide « HDP »Recuit de densification de l’oxide (permet une meilleur tenue aux nettoyages par la suite)


Planarisation de l’oxyde avec arrêt sur nitrure

Gravure Humide du nitrure, puis de de l’oxide


2- Définition des Caissons n & p2- Définition des Caissons n & p


Photo Caisson n (canal du pMOS) : protège les zones nMOSImplantation profonde P (isolation)Implantation As pour réglage de la tension de seuil du pMOS

Oxydation thermique (9nm) dites « Sacox » : oxyde sacrificiel servant a protéger la surface lors des implantations caissons

Caisson n


Caisson n

Elimination résinePhoto Caisson p (canal du nMOS) : protège les zones pMOSImplantation profonde B (isolation)Implantation B/In pour réglage de la tension de seuil du nMOS

Caisson nCaisson p

Caisson p

Elimination résineRecuit d’activation des dopants de caisson


3 - Definition de la Grille du Transistor3 - Definition de la Grille du Transistor


Caisson nCaisson p

Nettoyage pour préparation de surface (HFRCA)

Caisson nCaisson p

Oxidation thermique (1-2nm) : fabrication de l’oxyde de grille du transistor


Dépôt de l’electrode de grille (poly-silicium), ~ 100nm

Caisson nCaisson p


Caisson nCaisson p

Photo-lithographie sur caisson n (pMOS)Pré-dopage grille nMOS : implantation P (règle le travail de sortie du poly-silicium afin d’obtenir une tension de seuil acceptable (<0.5V) pour le nMOS


Caisson nCaisson p

-Elimination résine-Photo-lithographie sur caisson p (nMOS)-Pré-dopage grille pMOS : implantation B (règle le travail de sortie du poly-silicium afin d’obtenir une tension de seuil acceptable (>-0.5V) pour le pMOS- Elimination résine

Poly n+Poly p+


Caisson nCaisson p

-Dépôt masque dur TEOS (~ 50nm)- Photo-lithographie de grille (masque Grille), CD<100nm

Poly n+ Poly p+


Caisson nCaisson p

-gravure anistrope du masque dur et retrait résine

Poly n+ Poly p+

Caisson nCaisson p

Poly n+ Poly p+-Gravure anisotrope du polysilicium avec arrêt sur oxyde de grille


Caisson nCaisson p

Poly n+ Poly p+

-Retrait masque dur TEOS


4 – Extentions S/D4 – Extentions S/D


Caisson nCaisson p

Poly n+ Poly p+

- Photolithographie (masque nLDD, protege la zone pMOS)-Implantation As


Caisson nCaisson p

Poly n+ Poly p+

-Implantation B tilté (~ 25°) de poches de surdopage : renforce localement le dopage du canal. Efficace sur les petits transistors, négligeable sur les transistors longs.- retrait résine


Caisson nCaisson p

Poly n+ Poly p+

- Photo pLDD (protège les zones nMOS)- Implantation des extensions pMOS (B)- Implantation As tilté (~ 25°) de poches de surdopage : renforce localement le dopage du canal. Efficace sur les petits transistors, négligeables sur les transistor longs.- retrait résine

Extension n+

Poches p

Extension p+

Poches n


5 - Espaceurs5 - Espaceurs


- Dépôt TEOS (~ 10nm)

- Dépôt Nitrure (~ 30nm)


- Gravure Anisotrope du Nitrure avec arrêt sur SiO2

- Desoxidation HFRCA


6 – S/D , recuit d’activation et Siliciure6 – S/D , recuit d’activation et Siliciure


-Photo S/D N (protege pMOS)-Implantation SDN (As,P)

-Photo S/D P (protege nMOS)-Implantation S/D P (B)


-Recuit d’activation des dopants

-Dépôt Métal pour Siliciuration


-Réaction de siliciuration, et retrait de metal en excès

-Depôt nitrure de la couche d’arrêt de gravure contact


7 - Contact et 1er niveau de Metallisation7 - Contact et 1er niveau de Metallisation


-Depôt d’oxyde PMD (Pre Metal Dielectric)


-Polissage Mecano-chimique (CMP)


-Photo contact et gravure contact


-Depôt barriere TiN

-Depôt W


-CMP W


-Depot dielectrique (SiOC)

-Photo Ligne 1

-Gravure 1- Strip Resine

-Dépôt Cuivre


-CMP Cuivre


Tranche de siliciumTranche de silicium

Tranche

Méplat

Chemin de découpe

Une tranche est une coupe fine, généralement ronde, de matériau semi-conducteur qui constitue le premier élément de production pour la fabrication des semi-conducteurs.Une puce, c’est un circuit intégré unique ou un dispositif autonome sur une tranche de semi-conducteur.

puce

cmos technology : part 2

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