Processus intégrés dans la fabrication de puces

0040-02544 Haut du corps, Dps Métal

 

0020-33806 Chambre haute Dps + Poly

 

Modules de processus intégrés

 

Exigences de processus pour les circuits intégrés

Fiabilité totale:Les circuits intégrés doivent fonctionner de manière stable dans divers environnements et conditions, y compris des conditions extrêmes telles que des températures élevées, des températures basses et une humidité élevée.

La fiabilité implique également la longévité d'un circuit, c'est-à-dire la capacité d'un circuit à maintenir de bonnes performances sur une longue période de temps.

Hautes performances stables:Des performances élevées signifient que le circuit a une vitesse de traitement rapide, une faible consommation d'énergie et une intégration élevée. À mesure que la technologie progresse, la demande de hautes performances augmente également.

Prix ​​​​faible : le coût de production des circuits intégrés doit être contrôlé dans une fourchette raisonnable pour répondre à la demande du marché. Les moyens de réduire les coûts incluent l’amélioration de l’efficacité de la production, l’optimisation des processus, etc.

Les défis de la miniaturisation

 

Augmenter la densité de courant et l'intensité du champ électrique : à mesure que la taille du transistor diminue, la densité de courant et l'intensité du champ électrique augmentent en conséquence, ce qui peut conduire à une fiabilité réduite du circuit. L’augmentation du courant de fuite est également un problème auquel il faut remédier.

 

Complexité accrue : des structures plus complexes sont nécessaires pour résoudre les problèmes posés par la miniaturisation, ce qui augmente la complexité et le coût du processus. L'augmentation du nombre de processus et les cycles de fabrication plus longs augmentent également l'incertitude de la production.

Modules structurels de LSI

 

Intégration de processus : L'intégration de processus est la combinaison de divers processus de base pour fabriquer les circuits intégrés requis. Différents fabricants peuvent avoir des noms différents, mais ils intègrent essentiellement plusieurs étapes de processus.

Processus et modules de base : La fabrication de circuits intégrés implique plusieurs processus de base, tels que la lithographie, la gravure, l'implantation ionique, etc., etc. Ces processus de base peuvent être divisés en différents modules, tels que les modules de fabrication de transistors, les modules de câblage, etc. .

 

Interaction entre les modules : Il existe une influence mutuelle entre les processus de chaque module, en particulier les conditions de traitement et l'atmosphère des pré- et post-processus. Par conséquent, ces interrelations doivent être prises en compte dans la conception du processus afin de garantir la qualité et les performances du produit final.

Le diagramme suivant montre les problèmes importants rencontrés par le processus de base dans chaque processus de module :

Processus intégré de base

La fabrication de circuits intégrés est un processus très délicat et complexe qui repose sur une série d’étapes de processus contrôlées avec précision, souvent organisées en différents modules.

Ce qui suit est une explication détaillée des processus de base pour la fabrication des transistors MOS à rainure n, qui forment ensemble le processus de fabrication au niveau du nœud technologique de 3 microns.

1. Tamponne la formation de films d'oxyde

Description de l'étape : Une orientation cristalline de type p (100) avec une résistivité de 10Ω·cm. Une plaquette de substrat en Si est placée dans un tube de quartz et oxydée dans de l'oxygène chauffé à 1 000 degrés pendant 60 minutes pour former une couche de SiO2 de 50 nm d'épaisseur, qui est appelée oxydation sèche de l’oxygène. Cette couche de film SiO2 est appelée film d’oxyde tampon.

Objectif : Fournir un substrat plat et stable pour les processus ultérieurs tout en protégeant le substrat en Si des dommages lors du traitement ultérieur.

2. Formation de couches de nitrure de silicium

Description de l'étape : L'ammoniac (NH3) réagit avec le gaz dichlorosilane (SiH2Cl2) dans un tube de quartz chauffé à 800 degrés, et toute la surface du substrat en Si est recouverte d'une couche de nitrure de silicium (Si3N4) de 120 nm d'épaisseur, appelée CVD. méthode (dépôt chimique en phase vapeur).

Objectif : Agir comme une couche de masquage pour les processus ultérieurs afin de protéger une partie du substrat en Si de l'oxydation et d'autres traitements.

3. Implantation ionique et lithographie

Description de l'étape : Tout d'abord, la résine photorésistante est retenue sélectivement par photogravure, puis placée dans un plasma contenant du fluor pour éliminer le film Si3N4 qui n'est pas recouvert par la résine photosensible. Ensuite, l’ion bore B+ est accéléré de 75 keV pour entrer en collision avec la plaquette et l’amener à envahir la plaquette de silicium.

Objectif : Former une couche de blocage de canal par implantation ionique pour empêcher le courant de fuite entre des appareils adjacents.

4. Formation de films d'oxyde de champ

Description de l'étape : Après avoir retiré la résine photosensible restante, la surface est lavée avec de l'eau régale et de l'acide fluorhydrique dilué, puis oxydée dans de la vapeur d'eau à 1 000 degrés pendant 6 heures pour former un film de SiO2 de 1 μm d'épaisseur (appelé film d'oxyde de champ), qui est appelée méthode d'oxydation par voie humide à l'oxygène.

Objectif : Former une couche isolante sur un substrat en Si pour isoler différents composants du circuit.

5. Formation de film d'oxyde de porte et oxydation sacrificielle

Description de l'étape : Après avoir retiré la couche de Si3N4 et une partie de la couche de SiO2 en dessous, une oxydation sèche à l'oxygène à 50 nm est effectuée, puis cette couche de SiO2 (appelée film d'oxyde sacrificiel) est à nouveau retirée, et enfin un film d'oxyde de grille d'une épaisseur de 50 nm se forme.

Objectif : Fournir une couche d'isolation de haute qualité pour les grilles des transistors MOS. L'étape d'oxydation sacrificielle permet d'éliminer la couche de SiO2 endommagée par le prétraitement.

6. Formation d'électrodes de grille

Description de l'étape : Un film de silicium polycristallin de 400 nm d'épaisseur est déposé sur un substrat en Si, puis du phosphore est dopé pour réduire la résistivité. Ensuite, le film de silicium polycristallin est gravé par photogravure pour former une électrode de grille.

Objectif : Agir comme la grille d'un transistor MOS pour contrôler la coupure de courant entre la source et le drain.

7. Formation de sources et de drains

Description de l'étape : As+ est injecté dans le substrat Si par implantation ionique pour former une source et un drain de type n. Un traitement thermique d'activation (recuit) est ensuite entrepris, qui rend les ions injectés électriquement actifs.

Objectif : Fournir des bornes d'entrée et de sortie de courant pour les transistors MOS.

 

8. CVD-PSG Dépôt et recuit de membranes

Description de l'étape : Dépôt d'un film CVD-SiO2 de 600 nm d'épaisseur (appelé film CVD-PSG) contenant quelques pourcents de phosphore. La surface est ensuite vitrifiée par recuit au four avec POCl3.

Objectif : Fournir un substrat plat et stable pour l'électrode d'aluminium ultérieure, tout en réduisant la température de ramollissement du SiO2 pour le traitement ultérieur.

9. La formation de trous de contact et le dépôt d'électrodes d'aluminium

Description de l'étape : Le trou de contact est ouvert sur le film CVD-PSG par photogravure, puis une couche de film d'électrode en aluminium contenant 1 % à 2 % de Si d'une épaisseur de 800 nm est déposée. Objectif : connecter l'électrode en aluminium à l'électrode de source, de drain et de grille à travers des trous de contact pour former une connexion de circuit complète.

 

Ensemble, ces étapes constituent le processus de fabrication de base des transistors MOS à canal N. Dans la production réelle, plusieurs étapes de nettoyage, d’inspection et de test sont nécessaires pour garantir la qualité et les performances du produit final. À mesure que la technologie progresse, ces étapes de processus sont constamment optimisées et améliorées pour s'adapter à des niveaux d'intégration plus élevés et à des exigences de performances plus strictes.

Structure du substrat

Structure de la plaquette

Dans le développement de circuits intégrés, la qualité du substrat Si, en tant que matériau de base, a un impact crucial sur les performances du dispositif. Au début, les circuits intégrés utilisaient principalement du silicium monocristallin préparé par la méthode Cheklauski (CZ) ou la méthode de fusion en suspension (FZ). La plupart de ces siliciums monocristallins sont dans la direction (100) car cette direction présente les meilleures performances des transistors MOS.

Dans la fabrication de dispositifs CMOS, une structure puits-puits est nécessaire afin de former à la fois des transistors à rainure N et à rainure P sur le même substrat. La structure en puits permet la coexistence de transistors à rainure N et à rainure P en formant respectivement des substrats de type p et de type n sous le transistor.

Avec le développement de la technologie, la structure du puits a également subi une évolution d'un puits simple à un puits double puis à un puits triple, augmentant le degré de liberté de conception, améliorant la capacité à résister au bruit externe et améliorant la capacité à supprimer le verrouillage. (courts-circuits provoqués par une source-drain et une structure de thyristor constituée d'un piège et d'un substrat).

Substrats SOI

Les substrats SOI (Insulated Film Silicon Laminate) constituent une technologie compétitive et, bien que peu de dispositifs utilisent actuellement des substrats SOI, leur potentiel est énorme. Le développement des substrats SOI a commencé dans les années 60 du 20e siècle dans le but d'améliorer la résistance aux radiations et de permettre un fonctionnement à grande vitesse. Parmi elles, la structure silicium-saphir (SOS) a été partiellement mise en pratique, mais elle n'est pas encore devenue courante en raison de problèmes tels que la cristallinité, le prix et la compatibilité des processus.

Plus tard, la technique SIMOX (Oxygen Injection Isolation) a été développée pour obtenir la structure SOI en formant une couche enterrée de SiO2 sous la surface du substrat Si. Cependant, la technologie SIMOX n'est pas encore devenue courante en raison de la réduction du débit due à la grande quantité d'oxygène injectée, ainsi que de problèmes tels que les limites d'épaisseur du SiO2 et les défauts de cristallisation.

Ces dernières années, la technologie de collage de plaquettes a été développée comme alternative au SOS et au SIMOX. Les technologies de liaison de tranches, notamment les méthodes ELTRAN et Smart Cut, ont permis d'obtenir une préparation de substrat SOI de haute qualité en formant du silicium poreux, en déposant des couches épitaxiales ou en utilisant des couches d'implantation d'ions hydrogène pour la séparation mécanique. Ces substrats SOI ont déjà commencé à être utilisés dans des produits à haute valeur ajoutée tels que les processeurs ultra-rapides, où ils peuvent réduire efficacement la capacité parasite du substrat, contribuant ainsi à une vitesse élevée et une faible consommation d'énergie.

FIN