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Compte rendu des travaux pratiques dans la salle blanche du cime
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Compte rendu des travaux pratiques dans la salle blanche du cime

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L'objectif de ce TP est de nous sensibiliser au travail en salle blanche, le …

L'objectif de ce TP est de nous sensibiliser au travail en salle blanche, le
travail demandé est de réaliser une jonction PN sur un substrat de silicium afin
de pratiquer les théories d'élaboration des circuits intégrés que nous avons déjà
appris dans le cours d'ECI.

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  • 1. COMPTE RENDU DES TRAVAUX PRATIQUES DANS LA SALLE BLANCHE DU CIME-nanotech Réalisation dune Jonction PNMASTER 2 EEATS: Nanoélectronique et NanotechnologiesPréparé par: SERHAN Ayssar MERSNI Hishem 1
  • 2. ObjectifLobjectif de ce TP est de nous sensibiliser au travail en salle blanche, letravail demandé est de réaliser une jonction PN sur un substrat de silicium afinde pratiquer les théories délaboration des circuits intégrés que nous avons déjàappris dans le cours dECI.SommaireI - Description générale de linfrastructure des salles blanches.II - Nettoyage du substrat.III - Oxydation thermique.IV – Photolithographie.V - Vérification et contrôle de qualité (Lift-Off).VI - Dopage par implantation ionique.VII - Métallisation par pulvérisation cathodique.VIII - Gravure du métal.IX - Contrôle au profilomètreRéférences bibliographiques 2
  • 3. I - Description générale de linfrastructure des salles blanchesUne infrastructure de salles blanches typique pour la microélectroniquepossède les caractéristiques principales suivantes: lair ambiant y est filtréde façon très rigoureuse de manière à éliminer le plus possible lesparticules (poussières) qui pourraient causer lapparition de défauts dansles micro et nano dispositifs. Pour obtenir le degré de dépoussièrementvoulu, lair circule régulièrement à travers des filtres hautementperformants.Typiquement, pour un environnement de classe 100, le volume completde lair des salles blanches est filtré toutes les deux minutes environ , elleest dotée dun système sophistiqué de filtration deau produisant, à partirde leau de ville, une eau dé ionisée essentielle à la réalisation denombreux procédés. Le degré de pureté de leau dé ionisée est établi àpartir dune mesure de sa résistivité. Une valeur de 18 M /Cm pour ceparamètre représente des conditions idéales , elle est munie dune gammede réseaux dapprovisionnement en divers gaz, eau, succion, extraction delair pour les hottes ventilées, et système de neutralisation des déchetsliquides contenants des acides ou bases , elle est équipée dun systèmedalarme spécifique qui détecte les fuites éventuelles de gaz toxiquesutilisés dans certains procédés.Donc, avant dentrer dans la salle blanche il est obligatoire de prendredes précautions pour garder la pureté de la salle afin déviter la présencedes poussières. Station de filtrage deau Station de traitement dair Sas dhabillages précaution lors du travail 3
  • 4. II - Nettoyage du substratLe substrat avec lequel nous avons travaillé est déjà passé par une étapedoxydation, il est très important de le nettoyer afin déliminer l’oxydenatif déposé lors de l’étape précédente et pour obtenir une surface Sipropre qui permet la croissance dune couche doxyde homogène enépaisseur pendant létape suivante. Pour cela on place le wafer dans unesolution HF dilué à 5% et après on met le wafer dans un bac de rinçagepour arrêter la réaction puis dans un bain deau dans lequel on peutcontrôler la pureté en relève le wafer lorsque la résistivité atteint 15 M,après on met le wafer dans une solution de H202/H2S04, nous allonsfaire une oxydation de la surface, Ensuite on fait une seconde attaqueavec l’HF pour éliminer l’oxyde formé par l’attaque H202/H2S04. Attaque avec HF (5%) dans le bac de rinçage Bain deau purifié Attaque avec H2O2/H2SO4Apres nettoyage de wafer il est impératif de passer le wafer dans une centrifugeusepour le sécher, après cette étape le wafer devient prêt de passer vers la deuxièmeétape.Wafer dans le support de sécheur Séchage dans une centrifugeuse 4
  • 5. III - Oxydation thermiqueCette étape a été réalisée par le personnel de CIME. Elle consiste ànettoyer la surface de la plaquette pour réaliser une oxydation thermiquepermettant de former un oxyde SiO2 épais. Cet oxyde dit « oxyde demasquage » protège l’ensemble de la plaquette. Par photogravure on youvre les différentes « fenêtres » nécessaires aux étapes ultérieures duprocess (oxydation mince, ouvertures de contact,…). Placement de wafer dans le four a quartzL’oxydation est réalisée à l’aide d’une installation qui permet desoumettre les plaquettes à un cycle de température sous atmosphèrecontrôlée.Le cycle thermique sous atmosphère contrôlée est étudié de manière à ceque l’oxydation se fasse dans les meilleures conditions.Loxydation proprement dite seffectue dans un four de quartz il y a donc : Disposition des plaquettes de travail Définition des conditions d’oxydation à l’aide d’un automate programmable (régulation PID de la température à environ 950°C) entrée automatique de la nacelle dans le four sous flux d’azote temps d’oxydation temps de recuit sous azote (diminution des charges fixes dans l’oxyde) sortie de la nacelle sous flux d’azote. Couche doxyde de masquage 5
  • 6. IV - PhotolithographieLa photolithographie est le processus de transfert de formes géométrique d’unmasque sur une fine couche de matériaux photosensibles (résinesphotorésistantes) qui recouvrent un wafer de semi-conducteur.La photolithographie utilise la résine photosensible qui senlève sil est exposéeà la lumière UV, de même ce résine reste intact durant le contact avec lacide.La première étape dans la photolithographie consiste à déposer la résinephotosensible au dessus de wafer puis de chauffer le wafer sur 120℃ poursécher la résine le chauffage de résine dure 2 min 30, ensuite on met un masqueau dessus de wafer (le masque est composé dencre noire qui empêche lepassage de lUV dans les régions ou on souhaite garder le résine et des régionstransparents qui sont les zone actifs), on expose le wafer sous lUV lultraviolet, la résine attaquée par lUV sera éliminée lorsque on met le wafer dansun développeur qui est généralement lacide sulfurique, la durée dedéveloppement est à peut prés 1 mn 30, Il faut bien réduire le temps dans lHFpour éviter laugmentation de la dimension des cellules, la fin dattaque estcaractérisée par un changement de couleur.Les étapes de photolithographie Etalement de résine séchage de résine Chargement du masque n*6 chargement du substrat 6
  • 7. Réglage dalignement (motif, masque) exposition sous ultraviolet Développement de la résine retrait de la résineV - Vérification et contrôle de qualité (Lift-Off)Lutilisation de plusieurs masques lors de la fabrication dun circuitévoque des erreurs dauto-alignement qui sont due a la rotation ou a latranslation du masque pendant le processus, ces erreurs dépendent de lamachine utilisée dans la photolithographie et lors de la conception dumasque. Pour cette raison il faut toujours vérifier la gravure (alignemententre masque et motif, consommation de loxyde), pour cela on passe parune étape de vérification et de contrôle de qualité, dans cette étape onvérifie à laide dun microscope touts les principaux points du motif (croixdalignement) pour être sur que lalignement de masque et la gravure derégions se passent avec succès. Vérification et contrôle de qualité 7
  • 8. VI - Dopage par implantation ioniquePour crée la région N+ de la diode il faut toujours passer par un processusqui sappelle diffusion (diffusion dune région N+ dans la région P+), lebut de la diffusion est de modifier les caractéristiques électriques duréseau cristallin en introduisant des atomes dimpuretés dans ce réseaupuisque la région souhaitée est de type N, il est nécessaire dutiliser desatomes pentavalentes tel que le phosphore ou larsenic, dans notre TP onest utilisé le phosphore.Il y a plusieurs méthodes pour réaliser la diffusion mais limplantationionique est le choix le plus bon dans le cas ou on veut diffuser des régionsde petites dimensions comme dans le cas de la diode.Cette méthode est basée sur lenvoi des atomes dopant ionisés sous hautestension sur la surface du wafer, ceci permet de bien contrôler les atomesdopant à pénétrer dans le Si, avant recuit de wafer les atomes n’ont pastrouvé leur place dans le SI et dans ce cas on parle d’impuretés.Après un recuit d’activation, ces impuretés trouvent leur place dans le Siet dans ce cas on parle alors du dopant et donc une étape de recuitthermique est indispensable après l’étape d’implantation ionique, ceciafin d’apporter l’énergie nécessaire pour la recristallisation du substrat etpour la redistribution des atomes de bore dans les sites substitutionnels duréseau afin de les rendre électriquement actifs.La technique d’implantation ionique permet de localiser dans les troisdimensions les zones dopées. Un masquage assure le positionnement en xet y, l’énergie de bombardement définit le z. Le dopage obtenu est enfonction: • De la dose de dopants (exprimée généralement en atomes/cm²). • De l’énergie de bombardement (exprimée en ke V). Dans notre TP lénergie de bombardement a été égale a 200 KeV et le recuit dactivation dans le four à 950°C pendant 20 mn permet d’activer les atomes dopants injecté sur le wafer, Cette étape a été réalisée par le personnel de CIME.a - Description de limplanteur • source: cest la source datome dopant entrant dans limplanteur. • Chambre dionisation : dans laquelle les atomes dopant sont ionisés. 8
  • 9. • Accélérateur : les ions dans laccélérateur acquis de lénergie sous forme dénergie cinétique pour pénètre dans le Si (énergie de bombardement). • Chambre magnétique: la présence des aiment augmente lénergie dionisation de latome. • Lentilles électrostatique : font le confinement des ions dans la direction de tube. • Balayage X et Y: pour le réglage dangle dincidence du flux datomes. • Plaquette : sur laquelle le substrat doit être attaché. • Feed-back et contrôle : contrôle de balayage, de confinement et de la dose de dopage. Schéma de limplanteur utilise dans le dopageb - Comment on peut savoir le nombre des atomes dopant qui pénètrentdans le substrat ? Précision de dose de dopage placement du substratLa dose de dopage a été fixée dans la configuration de limplanteur, le choix dela dose du dopage dépend de la concentration datome dopant souhaitée par lefondeur. 9
  • 10. Les atomes ionises tel que les P+ seront dévié, elles attaquent la plaque surlaquelle se trouve le wafer, cette plaque est liée a la masse donc chaque atomeP+ attaque la plaque va attirer un électron se qui nous permet de mesurer lecourant qui passe a travers la masse et par suite la valeur du courant nouspermet de calculer le nombre des électrons qui passe a travers la masse(Q= et = ) avec Q est la quantité de charge totale qui traverse lamasse, I qui traverse la masse, q est la quantité de charge pour un électron, nest le nombre des électrons qui traverse la masse qui est équivalent avec lenombre des atomes P+ qui attaquent la plaque.Lorsque la valeur de n devient égale avec la valeur de dose de dopage (nombredatome dimpureté que lon doit injecter dans le substrat) limplanter sarrêt etle processus de dopage se termine.VII - Métallisation par pulvérisation cathodiqueCette opération consiste à déposer sur la face avant de la plaquette unecouche d’aluminium de 5000Å environ, obtenue par pulvérisationcathodique ou par évaporation thermique. Dans les deux cas, il estnécessaire d’avoir un vide suffisant dans l’enceinte pour garantir la puretéde la couche métallique déposée.La pulvérisation cathodique est une technique de dépôt en phase plasmapermettant la formation de couches minces par éjection d’atomes d’unmatériau cible lors d’un bombardement par des ions de gaz raresaccélérés sous haute tension. Schéma de principe de la pulvérisation cathodique 10
  • 11. Machine de la pulvérisation cathodiqueLe métal utilise pour les contacts est laluminium, il est obligatoire defaire le recuit daluminium pour permettre la constitution dun alliage Al –Si qui favorise le contact ohmique entre laluminium et le silicium etbloque la diffusion de laluminium dans le silicium et aussi permet uneliaison entre le SiO2 et laluminium.VIII - Gravure du métalCette étape est précédée par une étape de photolithographie qui estpresque même que létape que lon ai déjà utilise avec loxyde dans le casde gravure de la zone active de PN, mais pour laluminium il faut que Lebain d’attaque de l’aluminium doit être parfaitement homogène. Dans cebut, on le plonge dans le bac à ultra-sons avant de commencer le dépôt dela résine.L’attaque de l’aluminium sera poursuivie pendant 20 ou 30 secondes au-delà de l’instant où tous les motifs de la tranche seront apparus.Il faut donc agiter le wafer dans le bain et en même temps il faut suivrelévolution sur la face arrière du wafer, lorsque cette face commence àêtre séchée on attend 20 à 30 secs puis on note le temps de réaction. À chaque fois il faut quon remarque le séchage du wafer pour connaitre la fin de gravure et on note maintenant le temps de réaction et on calcule lépaisseur de la couche en utilisant les données affiché sur la feuille dans le laboratoire (taux de consommation de laluminium). Fin de réactionLépaisseur est mesurée une deuxième fois à l’aide du profilomètre puisreportées pour le comparer avec lépaisseur obtenu par calcule. 11
  • 12. IX - Contrôle au profilomètreLe profilomètre est un appareil qui possède une pointe en métal trèssensible aux variations en hauteur et exerçant une pression infime. Onpeut ainsi mesurer avec précision la hauteur. Nous avons mesuré unehauteur de 4,28 µm pour la résine (valeur proche de la valeur obtenue parcalcule de lépaisseur à partir du temps de réaction de retrait)Il existe deux techniques de gravure : la gravure sèche et la gravurechimique. La première utilise des plasmas froids alors que la secondeutilise des acides.Dans notre TP nous avons utilisé la technique de gravure humide nousavons utilisé une solution de H20 / H3PO4 / H202 dite oxydante-désoxydante pendant une durée de 3min21. Mesure profilometrie de lépaisseur de la couche de résine Courbure de surface de laluminium Consommation partiel de couche gravéeLes résultats obtenus par profilometrie est presque les mêmes avec celle qui sontobtenus par calcule à partir de durée de réaction et de taux de consommation dedifférente couche les valeurs obtenus sont présentées dans le tableau si dessous quirésume les mesures quon a déjà effectue par calcule et on a maintenant les vérifiéepar profilometrie. Les valeurs obtenus par profilometrie avec ± de différence avec les valeurs obtenus par calcule. 12
  • 13. ConclusionCe TP est en adéquation avec les activités de recherche relevant dudomaine de nanotechnologies silicium donc il nous sensible à lacomplexité des moyens mis en ouvre dans la réalisation dobjets et ledéveloppement de dispositifs électroniques nanométriques. De plus ce TPnous permet de découvrir lenvironnement dune salle blanche et de nousinitier à lutilisation de technologies de fabrication ( aligneur, UV, four,implanteur ..).Références bibliographiques[1] polycopie "Elaboration des circuits intégrés"[2] http://www.youtube.com/watch?v=6zh4lIQtNCI[3] http://www.cime.inpg.fr/images/caracterisation/ 13
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