CMOS Technology: part 2

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CMOS Technology part 2

• C. Fenouillet-Beranger
• SOI Devices Engineer, CEA/LETI
  STMicroelectronics, Crolles

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Plan

• Introduction
• Voir Cours précédent
• Chapitre 1 Les outils technologiques de base
• Oxidation
• Dépôt
• Photo-lithographie
• Gravure (sèche et humide)
• Implantation ionique
• Lepitaxie
• Chapitre 2 Exemple de filiere moderne
• Objectif de lintegration
• Enchainement des étapes technologiques

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Ingénieur Filière
Etapes Elementaires (process/ RD)
Photo/Litho
Gravure
Dépôts
Caractérisation
Assemblage
Implantation
Recuits
Nettoyages
(Physique, Chimie)
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Materiaux (phys/chimie)
Phys. Compo
Electronique, Marketing, Design
Procédés Elementaires
Definition dune technologie
Design de produit
Phys. Compo
Conception dispositif
Fabrication
Phys. Compo
Phys. Compo, Phys. Fond
Caracterisation
Physique fine
Materiau, Gestion
Production
5
Chapitre 1 Les étapes technologiques de base
6
Les familles de matériaux utilisés en
microelectronique
Type de matériaux Matériaux Technique dintegration
Semi-conducteurs Si Substrat, epitaxie
SixGe1-x epitaxie
Isolants SiO2 Thermique ou dépôt
Si3N4 (nitrure de Si) Dépôt
Al2O3 (alumine) Dépôt
HfO2 (oxide dhafnium) Dépôt
Dopants Type n As, P,Sb Implantation ionique
Type p B, In Implantation ionique
Neutre Ge, Xe Implantation ionique
Métaux Ni, Co Dépôt
W Dépôt
TiN Dépôt
TaN Dépôt
Al Dépôt
Cu Dépôt
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Isolants SiO2 et Si3N4
8
LOxydation thermique
SiO2
O2
Si
Si
Si
Recuit four
Oxyde SiO2  thermique  En surface
T900-1000C
Avantage Inconvenient
Procédé mature Qualité de linterface oxyde-silicium excellente Couches mince (qqs A) Température élevée Consomme du Si
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Les dépôts disolants

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

precurseur
SiO2 ou Si3N4
Si
Si
Four 700C Plasma 500C
Avantage Inconvenient
Basse temperature Pas de consommation de Si Interface avec Si Qualité du matériaux
10
Exemples de réactions chimiques permettant un
dépôt
11
La conformité des dépôts
Si3N4
Si3N4
e1
e1
e2
e2
e1
e1
e1 e2
e1 lt gt e2
Dépôt non-conforme
Dépôt conforme
12
Propriétés des matériaux
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Le polissage mecano-chimique (CMP)
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Polissage Mecano Chimique (CMP)
Pad

• Objectif aplanir une surface

Slurry
15
Polissage Mecano Chimique (CMP)
Action mecanique
Reaction chimique
Surface plane

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

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Lithographie
17
Du 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.
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Photo-lithographie (1)

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

UV (248nm ou 193nm)
Zone fragile
masque
résine
résine
résine
Si
Si
Si
19
Photo-lithographie (2)
developpeur
Zone non-protégée
résine
résine
Si
Si
Zone protégée
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Les problèmes liés à la résine

• Le facteur de forme, ou aspect ratio AR h/CD
• Si AR gt Armax (100) la resine dévelopée se
  deforme (effet gravitationnel)

CD
h
Si
Si
Si
deformation
collapse
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Exemples de lithographie
Résine  collapse 
Photo correcte
resine
Silicium
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Les limites de la photo-lithographie optique

• Lalignement des masques les uns par rapport aux
  autres (notion doverlay)

Erreur dalignement 2 niveaux
Erreur dalignement 3 niveaux
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Lithographie ebeam

• Lithgraphie par faisceau delectron
• 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

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Scanner 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 lapparence du wafer. Le
  principe est le même que pour la lithographie
  sèche, il sagit 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

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Extreme 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

26
Gravure sèche et humide
27
La gravure  sèche 

• Lobjectif est denlever un matériau A
  selectivement par rapport a un matériau B à
  laide dun plasma (reaction chimique et physique)

Ions HBr, CF4,O2 ..
Après gravure
Après élimination résine
E
résine
résine
Si
Si
Si
Résidus de gravure (produits des réactions
chimiques)
V
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Exemple
Si3N4
SiO2
Si
Si
Si
Tranchée
Si
29
Gravure chimique physique
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Comment sarrête une gravure sèche ?
Au temps
A la DFA (détection de fin dattaque)
Au temps et à la selectivité
Gravure ionique
Gravure ionique
Gravure ionique
Si3N4
Si3N4
Si3N4
SiO2
SiO2
SiO2
Si
Si
Si
Critere de fin de gravure
Molecules de SiO2
Si3N4
Si3N4
Si3N4
p
p
p
SiO2
SiO2
SiO2
Si
Si
Si
p vitesse gravure x temps Si derive procédé ?
surgravure, sous gravureadapté pour les gravure
longues (tgtgt10s)
Ex Gravure selective 10001 de Si3N4/SiO2 Si
derive procédé ? SiO2 se grave 1000 fois moins
vite que Si3N4, donc p reste constant
Ex on arrête la gravure lorsque lon detecte
les premieres molécules de SiO2. Le temps
nintervient plus.
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Les différents types de gravures sèches
Anisotrope
Isotrope
Gravure ionique
Gravure ionique
Si3N4
Si3N4
SiO2
SiO2
Si
Si
Si3N4
Si3N4
SiO2
SiO2
Si
Si
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Exemples de gravures usuelles
Espece à graver DFA possible sur Exemple
Si SiO2 Gravure grille
SiO2 Si3N4, Si Espaceurs
Si3N4 Si Espaceurs
SiGe (Gegt20) Si,SiO2 Tunnel enterré (SON)
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Nettoyage 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)

Nom Formule Utilisation
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
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Exemple 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 dune couche de chage opposée dans le
  liquide
• Ecran électrostatique

H2O2
NH4OH

H2O2
-
particule
-
SiO2
-
-



Si
Si
Si
-------------
Si
Particule adsorbée
Particule adsorbée
Gravure SiO2
35
Exemples et equipements
HF Dilué
36
Exemple de combinaison litho-gravure La gravure
grille
But definir la grille du transitor
Litho
Gravure
Nettoyage
CD grille
Poly-Si
DFA
SiO2
Si
Si
Si
Gravure
Nettoyage
Ex. resine trop fine
CD grille
Si
Si
Si
37
Exemple de gravure Grille
Poly-Si
Si
38
Implantation Ionique et Activation
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Limplantation Ionique Principe
2eme filtrage par fente
Contrôle lenergie des ions
Evite la contamination energetique et de dose
Spectro de masse
courant
Mesure In-situ de la dose
Ou deceleration
ExPH3 PH P P ..
40
Limplantation Ionique Principe

• Objectif definir les zones de dopants utilisée
  dans le fonctionnement du transistor
• Moyen Implantation despece de type donneur ou
  accepteur sous forme dions accélérés par un
  champs électrique

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Energie et dose des dopants usuels
Type dimplantation Espèce Energie (keV) Dose (at/cm²) Remarques
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 Souvent appelé Ultra Low Energy (ULE)
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 lt 100 nm LDD Lightly Doped Drain HDD
Heavy Doped Drain
42
Exemple dimplantations typiques
As 1e15 1keV
As 2e15 15keV
Concentration (at/cm 3)
P 6e13 20keV
B 3e12 8keV
X (nm)
43
Pouvoir darrêt
ions
resine
Si
44
Lactivation des dopants
45
Les recuits dactivation et de diffusion
46
Diffusion
47
Conclusion
48
Les  Combos  usuels 

• Etapes de dépôts et doxydation thermique
• Nettoyage ? Dépôt ? Mesure dépaisseur
  (ellipsométrie)
• Etapes de photo-lithographie/Gravure
• Photo ? mesure CD/overlay ? gravure ? mesure
  dépaisseur du matériaux servant à la DFA ?
  nettoyage résine ? mesure CD
• Etapes de gravure seule
• Gravure ? nettoyage résidus ? mesure CD ? mesure
  mat. DFA
• Etapes dimplantations
• Lithographie ? implantation ? retrait resine
• Etapes de recuit
• Nettoyage ? Four

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Chapitre 2 Exemple de Filière Moderne
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Matériau 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.

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Objectif

• Réaliser lintégration complète dune technologie
  CMOS avec 2 niveaux dinterconnexion
• Le schéma dintégration peut être divisée en
  différents modules technologiques

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Vue Générale du MOSFETs réel
53
1- Module dIsolation (STI, Shallow Trench
Isolation)
54
Silicium
Nettoyage, HFRCA Oxydation thermique (SiO2
 padox ), 7nm Dépôt Nitrure (Si3N4),
100nm Dépôt TEOS (SiO2) Masque dur, 50nm
55
Photo-lithographie zone active (masque active)
Résine
Résine
Gravure zone active (profondeur
3000A) Elimination Résine
56
Nettoyage (HFRCA) Oxydation thermique des
tranchée
Remplissage des tranchées par oxide
 HDP  Recuit de densification de loxide
(permet une meilleur tenue aux nettoyages par la
suite)
57
Planarisation de loxyde avec arrêt sur nitrure
Gravure Humide du nitrure, puis de de loxide
58
2- Définition des Caissons n p
59
Oxydation thermique (9nm) dites  Sacox  oxyde
sacrificiel servant a protéger la surface lors
des implantations caissons
Photo Caisson n (canal du pMOS) protège les
zones nMOS Implantation profonde P
(isolation) Implantation As pour réglage de la
tension de seuil du pMOS
Caisson n
60
Elimination résine Photo Caisson p (canal du
nMOS) protège les zones pMOS Implantation
profonde B (isolation) Implantation B/In pour
réglage de la tension de seuil du nMOS
Caisson n
Caisson p
Elimination résine Recuit dactivation des
dopants de caisson
Caisson p
Caisson n
61
3 - Definition de la Grille du Transistor
62
Nettoyage pour préparation de surface (HFRCA)
Caisson p
Caisson n
Oxidation thermique (1-2nm) fabrication de
loxyde de grille du transistor
Caisson p
Caisson n
63
Dépôt de lelectrode de grille (poly-silicium),
100nm
64
Photo-lithographie sur caisson n
(pMOS) Pré-dopage grille nMOS implantation P
(règle le travail de sortie du poly-silicium afin
dobtenir une tension de seuil acceptable (lt0.5V)
pour le nMOS
Caisson n
Caisson p
65
-Elimination résine -Photo-lithographie sur
caisson p (nMOS) -Pré-dopage grille pMOS
implantation B (règle le travail de sortie du
poly-silicium afin dobtenir une tension de seuil
acceptable (gt-0.5V) pour le pMOS - Elimination
résine
Poly n
Poly p
Caisson n
Caisson p
66
-Dépôt masque dur TEOS ( 50nm) -
Photo-lithographie de grille (masque Grille),
CDlt100nm
Poly n
Poly p
Caisson n
Caisson p
67
-gravure anistrope du masque dur et retrait
résine
Poly n
Poly p
Caisson n
Caisson p
-Gravure anisotrope du polysilicium avec arrêt
sur oxyde de grille
Poly n
Poly p
Caisson n
Caisson p
68
-Retrait masque dur TEOS
Poly n
Poly p
Caisson n
Caisson p
69
4 Extentions S/D
70
- Photolithographie (masque nLDD, protege la zone
pMOS) -Implantation As
Poly n
Poly p
Caisson n
Caisson p
71

• 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

Poly n
Poly p
Caisson n
Caisson p
72

• 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

Poly n
Poly p
Extension n
Extension p
Poches n
Poches p
Caisson n
Caisson p
73
5 - Espaceurs
74
- Dépôt TEOS ( 10nm)
- Dépôt Nitrure ( 30nm)
75
- Gravure Anisotrope du Nitrure avec arrêt sur
SiO2
- Desoxidation HFRCA
76
6 S/D , recuit dactivation et Siliciure
77

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

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

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• Recuit dactivation des dopants

• Dépôt Métal pour Siliciuration

79

• Réaction de siliciuration, et retrait de metal en
  excès

• Depôt nitrure de la couche darrêt de gravure
  contact

80
7 - Contact et 1er niveau de Metallisation
81

• Depôt doxyde PMD (Pre Metal Dielectric)

82

• Polissage Mecano-chimique (CMP)

83

• Photo contact et gravure contact

84

• Depôt barriere TiN

• Depôt W

85

• CMP W

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• Gravure 1
• Strip Resine

• Depot dielectrique (SiOC)

• Dépôt Cuivre

• Photo Ligne 1

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• CMP Cuivre

88
Tranche de silicium
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, cest
un circuit intégré unique ou un dispositif
autonome sur une tranche de semi-conducteur.
Tranche
puce
Chemin de découpe
Méplat