logistica-producŢiei-de-plĂcuŢe-de-siliciu-pentru-circuite-integrate

5/10/2018 LOGISTICA-PRODUC IEI-DE-PL CU E-DE-SILICIU-PENTRU-CIRCUITE-INTEGRATE - slidepd...

http://slidepdf.com/reader/full/logistica-productiei-de-placute-de-siliciu-pentru-circuite-int

Partea a II-a: LOGISTICA PRODUCŢIEI DE PLĂCUŢE DE

SILICIU PENTRU CIRCUITE INTEGRATE

VII. Procedee tehnologice: etape şi filiere

Pentru fabricarea unui circuit integrat tehnologia microelectronică pune în aplicare u

numar important de etape tehnologice elementare. Etapele pe care le vom studia în ace

curs fac posibilă evoluţia materiei din starea sa naturală dezordonată (nisip) către o structu

de mare complexitate şi ordonată până la limita posibilului. Principalele etape ce vor

abordate în cele ce urmează sunt:

* purificarea siliciului,

* fabricarea cristalului de siliciu,

* fabricarea plachetelor de siliciu,

Figura 1: Profesiile legate de semiconductori prezentate pornind de la o sinoptică simplificată a unui ciclu de

fabricaţie.Tehnologia microelectronică este plasată în centrul unui mare număr de activităţi diverse.

* epitaxia,

* procedeele de dopare: difuzie şi implantare de dopant,

* oxidarea: această etapă reprezintă o specificitate a materialului Siliciu

41



* depunerile: - depunerea de materiale semiconductoare,

- depunerea de materiale izolante,

- depunerea de materiale conductoare,

* gravarea : - gravarea chimică (umedă),

- gravarea uscată,

* fotolitogravura.Vom numi "filiera tehnologică" un ansamblu de etape ai caror parametri şi a căro

succesiune au fost stabilite de un fabricant şi pe care acesta le va aplica pentru a fabric

componente de mai multe tipuri. Acest demers este impus de complexitatea mare a un

procedeu de fabricaţie complet (care poate să conţină peste 400 de etape elementare).

Ciclul complet de fabricaţie poate fi schematizat după cum se arată în figura

Pornind de la materia primă (siliciu pur) se fabrică un lingou, iar apoi plachete care su

supuse unui număr mare de etape tehnologice elementare. Aceste etape se aplică uneorepetat, fluxul tehnologic formând cicluri (bucle). Spre exemplu etapa de fotolitografie, car

constă în a transfera un motiv distinct de pe o mască pe plachetă, poate interveni de u

număr mare de ori în cursul fabricaţiei unui anumit circuit integrat. În tehnologiile recente po

interveni până la 15 fotolitografii pe parcursul fabricării unui circuit.

Figura 2: Ciclul de fabricaţie simplificat al unui circuit integrat.

42



Când ciclul de fabricaţie (constând în parcurgerea unui număr de etape, uneori în mo

repetat) este încheiat, plachetele sunt testate şi apoi decupate. Decuparea, realizată dup

direcţia axelor cristalografice, permite obţinerea cipurilor (structuri semiconductoare avân

forma de mici dreptunghiuri). De notat că, prin controlul proceselor şi ameliorare

randamentelor de fabricaţie, cipurile au evoluat de la dimensiunea de 1 mm2 în 1970 la câţiv

cm2 în 1995.Cipurile sunt apoi încapsulate (în capsule normalizate de circuit integrat), care vor fi

rândul lor montate pe circuite imprimate.

În unele cazuri se montează mai multe cipuri în aceeaşi capsulă şi se interconecteaz

prin trasee interne. Se limitează astfel numărul interconexiunilor externe. Acestea sunt numi

circuite hibride şi pot avea mai multe sute de pini pentru conexiuni spre exterior. Circuite

sunt apoi montate direct pe plăci imprimate sau în conectori speciali (socluri).

VIII. Purificarea siliciului

VIII.1. Sursele de siliciu

Siliciul există în cantitate mare la suprafaţa globului terestru. Este al doilea material c

răspândire în scoarţa terestră:

O2 (46%), Si (28%), Al (8%).

Temperatura sa de topire este de 1415°C, adică destul de ridicată, iar afinitatea s

chimică este puternică la temperaturi mari. Sursele naturale de Si sunt în principal silica

(nisip, etc...), dar şi zirconul, jadul, mica, quartz-ul, deci diverse materiale continand în esenţă

SiO2 (silice). Siliciul există esenţialmente sub formă oxidată şi necesită pe de o parte să f

redus, iar pe de altă parte să fie purificat până la stadiul numit "de calitate electronică" sa

EGS (Electronic Grade Silicon). Dificultatea în obţinerea siliciului constă în aceea că silice

nu poate fi redusă simplu, folosind hidrogen, şi deci trebuie găsită o tehnică adaptată d

reducere (cu carbon, la temperatură înaltă).

VIII.2. Puritatea chimică cerutăCalitatea electronică sau microelectronică este în fapt greu de obţinut şi necesi

aplicarea succesivă a unui număr mare de etape de purificare. Să ne amintim că întreag

teorie a dispozitivelor semiconductoare este construită în ipoteza unui cristal perfect sa

cvasi-perfect. Noţiunea de dopaj ţine cont de faptul că se poate controla concentraţia atomilo

dopanţi la nivelul de 1014 cm-3. Chiar dacă acest număr poate să pară mare, el este de fa

43



extrem de mic în raport cu numărul de atomi pe unitatea de volum din reţeaua cristalină.

cazul siliciului, cristalul conţine 5.1022 atomi pe cm3. Aceasta înseamnă că puritatea chimic

cerută trebuie să fie mai bună de 10-9, adică de o parte la miliard (sau 0,001 ppm).

Demersul va consta deci în a obţine, într-o primă etapă, siliciu de calitate numit

"metalurgică" sau MGS (Metallurgic Grade Silicon), iar apoi în a purifica materialul până

stadiul de puritate "electronică" sau EGS (Electronic Grade Silicon).

VIII.3. Reducerea silicei

Într-o primă etapă se efectuează electroliza silicei topite într-un cuptor cu arc electri

Se foloseşte cuptorul cu arc pentru a putea atinge temperatura înaltă de topire a silicei. SiO

este amestecat cu carbon (cărbune).

Electrodul cuptorului cu arc este din grafit şi se consumă în timpul procesului ( figura 3

Bilanţul global al reacţiei de reducere este următorul (în realitate rezultatul se obţine în urmunui număr mare de reacţii chimice intermediare):

SiC(lichid) + SiO2 (lichid) ---> Si (lichid) + SiO (gaz) + CO (gaz)

Figura 3: Electroliza silicei permiţând obţinerea siliciului topit de calitate metalurgică

După această operaţie siliciul obţinut are puritatea de 98%. Puritatea trebuie de

mărită în continuare cu multe ordine de mărime, până la a obţine un material utilizabil

microelectronică.

44

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch2c.htm#fig%23fig

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch2c.htm#fig%23fig



VIII.4. Fabricarea plachetelor

Fabricarea plachetelor pornind de la siliciul purificat necesită parcurgerea unui număr

mare de etape. În primul rând se cere realizat un monocristal, în formă de lingou, care va fi

decupat apoi în discuri subţiri ce vor reprezenta plachetele.

a) polisiliciu cât mai pur posibil:

Siliciul purificat este folosit pentru a forma şarjele cu care se încarcă reactorul dcreştere a monocristalului. Problema o constituie puritatea chimică a materialului care,

ciuda valorii sale ridicate, este încă slabă în raport cu gradul de dopare uzual.

Acest cristal de siliciu comportă 5.1022 atomi pe cm3. La o puritate de 0,999999 (difi

de atins) dopajul neintenţionat echivalent poate fi de 5.1016 cm-3.

b) pregătirea şarjei ce va fi topită şi transformată în lingou:

În această şarjă se pot introduce elemente dopante, dacă se doreşte obţinerea d

plachete (substraturi) dopate. Se adaugă în acest caz dopant în proporţie calculată în rapocu şarja.

c) tragerea şi creşterea cristalului:

Şarja, introdusă într-un creuzet din grafit, este topită. Pornind de la un germene d

creştere, se efectuează tragerea progresivă a lingoului, asigurând condiţii de proces foar

precise (temperatura creuzetului cu şarja topită, a incintei, gradientul de temperatură

transferul de căldură, viteza de tragere a germenului, etc...). În funcţie de viteza de tragere s

obţin lingouri de diverse diametre.

1964 : 25 mm

1969 : 50 mm

1974 : 75 mm

1978 : 100 mm

1982 : 125 mm

1985 : 150 mm

1990 : 200 mm

1998 : 300 mmFigura 4: Evoluţia dimensiunilor substraturilor (plachetelor) din siliciu, de la începuturile epocii circuitelo

integrate

45



Figura 5 : Tragerea unui lingou prin tehnica Czochralski. Diametrul lingoului este determinat de

parametri fizici în timpul tragerii.

O altă tehnică poate fi folosită pentru realizarea lingourilor de mari dimensiuni. E

porneşte de la un lingou de siliciu policristalin obţinut în reactorul de reducere

triclorosilanului. Creşterea cristalului se obţine pornind de la un germene fixat la extremitate

lingoului, prin deplasarea unei zone topite (figura 6). Această zonă este încălzită până

limita fuziunii siliciului de către o bobină parcursă de curent de înalta frecvenţă, care induce

lingou curenţi turbionari (Foucault).

Figura 6: Cristalizarea lingoului şi purificarea prin metoda fuziunii zonale.

46



Această metodă este folosită totodată şi pentru purificarea lingoului; se exploatează

fapt fenomenul de difuzie a impurităţilor într-un solid, la temperatură înaltă. În acest caz s

pot monta până la trei bobine parcurse de curenţi de IF în jurul lingoului. Este un mijloc d

obţinere a lingourilor cu dopaj rezidual slab, necesare în special la fabricarea de componen

electronice de putere (realizarea de zone cvasi-intrinseci, care permit creşterea capabilită

în tensiune). În fine, o a treia tehnică poate fi folosită pentru tragerea de lingouri. În caz

componentelor semiconductoare III-V lingoul se poate realiza într-un bac paralelipipedi

Cristalizarea se efectuează progresiv, pornind de la una din extremităţi; aceasta este metod

numită "Bridgman".

Figura 7: Tragerea unui lingou prin metoda Brigman.

d) tăierea capetelor lingoului:

Operaţia constă în eliminarea extremităţilor lingoului, care sunt fie imperfe

cristalizate, fie bogate în impurităţi (în special dacă s-a folosit tehnica fuziunii zonale).

e) controlul rezistivităţii la extremităţile lingoului :

Datorită variaţiei concentraţiei de impurităţi în timpul tragerii, rezistivitatea fina

variază de-a lungul lingoului. Se impune o verificare a acestui parametru în raport c

specificaţiile tehnologice (gama de variaţie). Tehnica de măsurare folosită este de tipul "c

patru vârfuri".

47



f) determinarea reperelor cristalografice ale lingoului printr-o metodă de difracţie

razelor X şi marcarea lingoului.

Este necesar să se cunoască orientările cristalografice, pentru a putea decup

materialul de-a lungul axelor cristalografice, la sfârşitul procesului de fabricaţie. Dup

reperarea planurilor cristalografice se creează o teşitură care va servi ca referinţă (va indic

axa 100 spre exemplu).

g) polizajul cilindric:

În cursul tragerii diametrul lingoului variază uşor, suprafaţa fiind ondulată. Pentru

obţine plachete de acelaşi diametru este necesară o polizare cilindrică.

h) polizarea unei teşituri de referinţă cristalografică şi geometrică:

Acest reper va folosi ca referinţă în cursul procedeului de fabricaţie (orientarea zonelo

de conducţie în raport cu axele cristalului, reperarea motivelor în cursul fotolitografie

decuparea cipurilor după axele cristalografice). De altfel se vor realiza suplimentar şi alt

repere, în funcţie de tipul de dopaj al substratului şi de orientarea sa cristalografică. De not

că la plachetele de 200 mm nu subzistă decât un reper cristalografic în formă de crestăturnatura substratului este indicată prin inscriptionare (realizată cu laser).

Figura 8: Tesituri de identificare a plachetelor. Se pot distinge usor tipurile de dopaj n si p si orientarile

cristalografice.

48



i) decuparea plachetelor :

Decuparea se face cu ajutorul unui fierăstrău diamantat având grosimea d

aproximativ 400 µm.

-fierăstrău: aproximativ 400 µm grosime

-plachetă: aproximativ 400 µm ... 600 µm brut, după tăiere

Luînd în considerare şi eliminarea capetelor de lingou şi polizarea, se elimină în tot

50% - 60% din lingou. În practică, plachetele cu diametre superioare la 150 mm au cel puţ

500 µm grosime, pentru a reduce fragilitatea mecanică în cursul etapelor tehnologic

Această grosime este redusă înainte de decuparea cipurilor la 250 - 300 µm (etapa d

subţiere), pentru a facilita schimburile termice (şi electrice) cu suportul cipului.

j) tratament termic:

Operaţia de tăiere creează tensiuni mecanice în cristal. Se cere relaxarea cristalul

printr-o creştere lentă a temperaturii până la 600...700°C (recoacere). La această temperatu

atomii au suficientă energie proprie pentru a se reaşeza în siturile cristaline.

Acest tratament termic prezintă totodată avantajul de a diminua efectul atomilor d

oxigen (de tip donor) şi de a stabiliza rezistivitatea.

k) polizarea marginilor (debavurarea):

După tăiere, pe marginile plachetelor rămân bavuri ce se cer eliminate. De altfel srealizează în acelaşi timp şi o rotunjire a muchiilor, pentru a uşura manipularea plachetelor

cursul procesului de fabricaţie. Prin aceasta se evită degradarea dispozitivelor de prindere

se suprimă amorsele de fisuri.

l) trierea plachetelor în funcţie de grosime:

După decupare grosimile plachetelor pot fi sensibil diferite. Pentru reducerea timpul

de polizare plachetele se triază în game de grosime ce diferă prin 100 µm, spre exemplu.

m) acoperirea plachetelor cu o suspensie de alumină şi polizarea:

Pentru a ameliora starea suprafeţelor, plachetele sunt polizate cu ajutorul unei mixtu

conţinând granule de alumină de dimensiuni micronice.

n) curăţirea:

Aceasta etapă constă în a elimina produsele abrazive şi substanţele contaminant

prin spalare cu solvenţi şi apă deionizată.

o) atacul chimic al plachetelor:

49



În cursul diverselor etape precedente se formează la suprafaţa plachetelor un strat d

oxid nativ conţinând impurităţi. Acestea sunt sau metale şi pot fi eliminate cu soluţii acide, sa

substanţe organice ce pot fi eliminate folosind soluţii bazice:

- soluţii acide: HNO3, CH3COOH,

- soluţii bazice: KOH. Nu se foloseşte sodă (NaOH) pentru ca natriul este un polua

violent al oxizilor, în particular pentru oxidul de grilă al tranzistorilor MOS. În final oxidul nativ este atacat cu o soluţie de acid fluorhidric (HF). Se obţine astfel

suprafaţă chimic neutră, înaintea polizării "oglindă".

p) deteriorarea feţei inferioare:

Partea utilă a plachetei (în care se vor creea componentele electronice) se găseşt

foarte aproape de suprafaţa superioară. Se doreşte realizarea unei calităţi maxime

materialului în acestă zonă, atât sub aspectul gradului de puritate (atomi străini) cât şi

defectelor cristalografice (macle, dislocări, etc...). În acest scop se creează intenţionat defectpe faţa inferioară, prin sablaj sau bombardament laser, ceea ce produce o creştere

rugozităţii şi generează defecte locale. Aplicând ulterior un tratament termic, impurităţile de p

faţa activă a plachetei vor migra prin substrat spre faţa inferioară şi vor fi captate de defecte

create aici, acestea oferind stări energetice favorabile fixării atomilor.

Figura 9: Se creează intenţionat defecte pe faţa inferioară. Aceasta îşi pierde aspectul de "oglindă". Operaţia

permite ameliorarea calităţii în zona utilă, aflată în proximitatea feţei superioare.

q) triere în funcţie de grosime:

Prin operaţia precedentă se modifică grosimile plachetelor. Se face o nouă triere î

game de grosime.

r) pregătirea pentru polizarea finală a feţei active:

Plachetele se montează în aparatul de polizat.

50



Figura 10: Plachetele se monteaza în aparatul de polizat. Acesta conţine suporturi rotative în formă de disc

(sateliţi), pentru a realiza o polizare cât mai uniformă a plachetelor.

s) eliminarea excesului de grosime:

Se elimină aproximativ 25 µm.

t) polizajul final "oglindă" :Acest polizaj poate fi mecanic sau mecano-chimic. Se cer eliminate zgârieturile,

micile umflături. Operaţia se efectuează cu o maşină identică cu cea din figura10, dar c

discuri abrazive mai puţin agresive şi folosind o soluţie abrazivă conţinând granule foarte mic

u) demontare, curăţire, triere:

Aceste ultime operaţii sunt:

- demontarea plachetelor de pe suporturile de polizare,

- curăţirea finală,

- trierea finală în funcţtie de grosimi.

v) testarea rezistivităţii plachetelor, triajul final în funcţie de rezistivitate:

Formarea loturilor ce urmează să se livreze clienţilor se face printr-un triaj în funcţie d

rezistivitate.

w) reperarea - marcarea:

Se marchază lotul, lingoul, data cu ajutorul unui fascicul laser. Această reperare fac

posibilă urmărirea plachetei de-a lungul întregii linii de fabricaţie.

51



x) curăţarea finală, în camera albă:

Pentru a demara ansamblul etapelor ce formează procedeul de fabricaţie a circuitelo

integrate, plachetele trebuie să fie perfect curate (fără grăsime, fără particule de praf, etc..

O curăţare finală este necesară.

y) inspecţia vizuală:

Omul este la ora actuală cel mai bun inspector. El poate detecta vizual şi în scurt timvariaţiile de culoare, zgârieturile, particulele de praf cu dimensiuni mai mici de un micron. U

sistem automat de control cu baleiaj optic al întregii suprafeţe a plachetei nu ar fi înc

suficient de performant. Să considerăm spre exemplu o suprafaţă de controlat avân

dimensiunile de 10 cm x 10 cm. Suprafaţa ar trebui baleiată punct cu punct, punctul d

măsură fiind de 0,05 µm x 0,05 µm. Un astfel de punct necesită cel puţin 1 µs pentru a

analizat. În acest caz timpul total de control pentru suprafaţa considerată ar fi:

Este un timp enorm şi deci nerealist. De fapt ochiul uman este mult mai performan

pentru ca tratează informaţia în mod paralel, graţie milioanelor de celule de pe retină!

z) testul de planeitate:

Planeitatea este foarte importantă pentru litografie. Există în prezent maşini pent

testarea planeităţii bazate pe măsuri optice (devierea unui fascicul laser).

După parcurgerea ansamblului acestor etape placheta este pregatită pentru a sufeetapele de fabricaţie a circuitelor integrate (sau a componentelor electronice discrete).

IX. Epitaxia

IX.1. Definiţie:

Epitaxia este o etapă tehnologică ce constă în a creşte un cristal peste alt crista

Această tehnică va utiliza deci un substrat pe post de germene cristalin şi va face să creasc

un nou strat pe monocristalul de bază, prin aport de atomi din exterior. Noul strat obţinuastfel poate fi dopat sau nedopat.

Vom vorbi despre:

- homoepitaxie, dacă materialele sunt identice (exemplu: creşterea prin epitaxie

unui strat de siliciu n- peste un strat de siliciu n+, implicată în jonctiunea colector bază a un

tranzistor bipolar, permiţând creşterea capabilităţii în tensiune - figura 11);

- heteroepitaxie, dacă materialele sunt diferite.

52



În acest ultim caz creşterea nu va fi posibilă decât dacă există compatibilitate înt

reţelele cristaline ale celor două materiale (aceeaşi geometrie a reţelei şi distanţe între atom

ce diferă cu cel mult 1...2 %).

Figura 11: exemplu de epitaxie n- pe un substrat de tip n+; se va spune ca substratul a fost epitaxiat.

IX.2. Mecanisme fizice de bază:

Trebuie studiate posibilităţile de fixare în reţeaua cristalină a atomilor singulari ce ajun

în proximitatea suprafeţei. Atomii trebuie să se poată deplasa la nivelul suprafe

cristalului, pentru a găsi un sit cristalin liber. Pentru aceasta trebuie să li se transfere energi

În funcţie de punctul în care atomii ating suprafaţa, pot apare diferite situaţii înainte d

formarea legăturilor chimice cu cristalul de bază. Trei mecanisme sunt preponderente:

- un atom ajunge pe suprafaţă, dar o părăseşte imediat, legătura posibilă în punct

respectiv fiind prea slabă pentru a-l reţine (cazul A),

- un atom cade într-o "gaura" a reţelei şi stabileşte imediat legături suficient dputernice pentru a rămâne definitiv fixat în reţea (cazul B),

- un atom se agaţă de o "treaptă" a reţelei şi, într-o medie a cazurilor, se fixează î

reţea (cazul C).

Figura 12: Mecanismele elementare ale creşterii epitaxiale.

Atomii care ajung în "găuri" sau "trepte" ale reţelei se fixează în reţea.

53



Analiza acestor mecanisme (prezentate aici într-o manieră simplificată) arată că,

primul rând, se vor umple "găurile" reţelei şi ca procesul de creştere a cristalului se va fac

strat cu strat. Aceasta se întâmplă cu condiţia ca aportul de atomi din exterior să fie bin

dozat şi că aceşti atomi să aibă energie suficientă pentru a se deplasa la suprafaţa cristalulu

pentru a ajunge în puncte în care se pot "agăţa". Îndeplinirea acestor condiţii va depinde d

metoda utilizată.

IX.3. Metodele practice:

Există în principal trei tipuri de metode practice:

- epitaxia prin jet molecular - MBE (Molecular Beam Epitaxy),

- epitaxia în fază lichidă - LPE (Liquid Phase Epitaxy),

- epitaxia în fază de vapori - VPE (Vapor Phase Epitaxy).

Există utilaje specifice pentru fiecare din aceste tehnici.a) Epitaxia prin jet molecular (MBE)

Această tehnică constă în a proiecta molecule la suprafaţa substratului. Procesul ar

loc în vid înaintat, pentru a preveni orice ciocnire sau contaminare pe parcurs. Sursele d

vapori pot fi de natură sau cu dopaje diferite. Pentru fiecare element evaporat trebu

adaptată puterea sursei de caldură a celulei, dar şi a port-substratului. Prin reglajul celulelo

de vaporizare se creează un jet de molecule în direcţia substratului; se pot realiza astfel, stra

cu strat, structuri foarte complexe cum ar fi super-reţele, diode laser, tranzistori HEMT. S

obţine astfel o foarte mare precizie a creşterii epitaxiale, putându-se realiza joncţiuni foar

abrupte, dar procesul este foarte lent şi nu poate fi aplicat decât unui singur substrat d

fiecare dată. Viteza de creştere este de ordinul a 1 nm/minut. Tehnica aceasta este foart

costisitoare şi nu se aplică decât pentru realizarea de dispozitive cu valoare adaugată mare.

Figura 13: Incinta de epitaxie prin jet molecular – MBE

54

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejm



http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#epl%23epl




http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#epv%23epv









b) Epitaxia în faza lichida (LPE)

Această tehnică constă în a face să crească cristalul prin punerea în contact

suprafeţei cu o sursă lichidă de atomi. Se cer controlate foarte bine schimburile de căldură

timpul procesului, pentru a evita lichefierea cristalului de bază. Metoda prezintă avantajul de

fi foarte rapidă, viteza de creştere putând ajunge la ordinul unui micron pe minut dabineinţeles, nu are precizia metodei MBE.

Figura 14: Dispozitiv cu băi multiple pentru epitaxie în fază lichidă. Băile pot conţine material de bază sau

dopanţi diferiţi, pentru a realiza heteroepitaxie (spre exemplu pentru realizarea unui hetereotranzistor bipolar)

c) Epitaxia în faza de vapori (VPE)

Acest procedeu constă în a creşte cristalul prin aport de atomi conţinuţi într-un gaz. Î

reactor gazul se disociază, furnizând atomi (de siliciu spre exemplu), care se depun p

suprafaţa plachetelor. Acestea din urmă sunt încălzite, pentru a asigura condiţii bune d

creştere. Vom vedea în continuare că, în funcţie de temperatură, reacţiile ce se produc pot foarte diferite, putând conduce la efecte negative în unele cazuri. Totodată se cere controla

echilibrul chimic prin injecţia de gaz rezultat din descompunerea sursei de atomi.

Figura 15: Banc pentru epitaxie in faza de vapori (VPE).

X. Difuzia

55



X.1. Fenomenul difuziei:

Difuzia este un fenomen foarte des întâlnit în natură. El corespunde tendinţei d

dispersie (împrăştiere) a substanţelor, particulelor, atomilor sau moleculelor, sub acţiune

unei energii de excitaţie, furnizată sub formă de căldură. Această dispersie va fi mai mult sa

mai puţin importantă, în funcţie de caracteristicile mediului în care se află substanţe

respective.La temperatura ambiantă fenomenul de difuzie este foarte accentuat în mediu gazo

mai puţin accentuat în mediu lichid şi practic inexistent în mediu solid. Pentru a obţine

difuzie sensibilă în medii solide, respectiv în cristale, va trebui ca materialul sa fie încălzit

temperaturi apropiate de 1000°C.

În cele ce urmează ne vom ocupa cu prioritate de mecanismele difuziei în medii solid

fără a uita însă de difuzia în lichide şi gaze.

Pentru a înţelege mai bine aspectele macroscopice ale difuziei, va trebui să ne formămo imagine asupra fenomenelor şi mecanismelor ce au loc la scară atomică.

X.2. Procedee tehnologice pentru realizarea difuziei

Procedeele pentru realizarea difuziei depind de natura surselor de dopant. Există tr

mari tipuri de surse care permit furnizarea elementelor dopante ce urmează să penetreze

substrat: surse gazoase, lichide sau solide.

Figura 16: Realizarea difuziei intr-un cuptor, pornind de la surse gazoase. Gazele dopante sunt antrenate de u

gaz purtator neutru (ex.: azot)

Sursele sunt gaze conţinând elemente dopante, ca spre exemplu arsina (AsH 3), fosfin

(PH3) sau diboranul (B2H6) - figura 16. De notat că prin cuptor circulă în permanenţă un ga

56

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch5d.htm#gazeuse%23gazeuse

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch5d.htm#solide%23solide

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch5d.htm#gazeuse%23gazeuse

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch5d.htm#solide%23solide



neutru (azot) pentru a evita orice poluare cu elemente provenind din atmosfera ambiant

Azotul trebuie să fie la rândul lui foarte pur, pentru a nu polua cuptorul.

Figura 17: Difuzia folosind surse lichide.

Chiar dacă a priori aceste gaze sunt uşor de obţinut, ele sunt foarte periculoasconcentraţia letală pentru om fiind de câteva ppm (părţi pe milion). Din acest motiv se prefe

folosirea surselor lichide de dopant, cum ar fi POCl3 sau BBr 3, substanţe care sunt în form

lichidă la temperatura ambiantă, dar care se evaporă uşor pentru a fi introduse în cuptorul d

difuzie (figura 17).

Pot fi folosite şi surse solide. Acestea sunt materiale de tipul sticlei, conţinân

substanţe dopante ca nitrura de bor sau sticla dopată cu fosfor. Aceste surse se prezintă su

formă de plachete (discuri) şi sunt introduse în cuptor printre plachetele de siliciu ce urmeaz

a fi dopate (figura 18). Sticla dopată se evaporă şi se depune pe plachete. Se retrag ap

sursele solide.

Figura 18: Procedeu de dopare pornind de la surse solide.

57



XI. Implantarea ionică

XI.1. Introducere:

Operaţia constă în a acelera atomi ionizaţi până la energii suficient de mari pentru

putea pătrunde în stratul superficial al plachetei. Operaţia este folosită cu precădere pent

doparea semiconductorilor în timpul fabricării dispozitivelor electronice. Atomii dopanţi sunt d

obicei: B, P, As, In, etc...

Pentru accelerarea atomilor ionizaţi se folosesc energii de la 3 keV la 500 keV. Î

funcţie de natura materialului în care se face implantarea, de natura ionilor dopanţi şi d

energia de accelerare, adâncimea medie de pătrundere poate fi cuprinsă între 100 Å şi 1 μm

XI.2. Instalaţia de implantare ionică:

Instalaţia este în fapt un accelerator de ioni. Părţile componente principale, vizibile î

figura 19, realizează funcţiile următoare :- generarea de ioni pornind de la o sursă solidă, lichidă sau gazoasă, într-o plasm

excitată la 25 kV,

- selectarea ionilor utili, prin separare în câmp magnetic (triaj în funcţie de raport

masă/sarcină),

- accelerarea ionilor până la energia de implantare dorită,

- focalizarea fasciculului de ioni, printr-un sistem de lentile electrostatice,

- realizarea baleiajului dupa axele x si y, pentru a implanta uniform placheta,

- devierea fasciculului cu un mic unghi, pentru eliminarea ionilor neutralizaţi pe parcur

- bombardarea cu ioni a suprafeţei plachetei, în camera de implantare.

Figura 19: Schema unei instalaţii de implantare ionică cu energie de accelerare maximă de 200 keV.

58



XI.3. Măsurarea dozei implantate:

Doza se exprimă în număr de ioni incidenţi pe unitatea de suprafaţă. Măsurarea es

posibilă întrucât fluxul de ioni corespunde unui curent electric. Măsurând şi integrând î

funcţie de timp valoarea curentului ce traversează o suprafaţă bine definită, pe întreag

durată a procesului, se obţine sarcina electrică totală ce a traversat suprafaţa. De aici poa

fi calculat cu precizie numărul de ioni incidenţi şi apoi doza implantată (figura 20).

Figura 20: Măsurarea dozei prin integrarea curentului de ioni ce traversează o suprafaţă etalonată

XI.4. Profilul concentraţiei de dopant:

Ionii incidenţi îşi pierd progresiv energia, în urma ciocnirilor succesive cu atomii d

reţeaua cristalină. Aceasta explică, pe de o parte, limitarea în profunzime a implantării şi, p

de altă parte, dispersia traiectoriilor urmate de ioni. Se defineşte statistic o adâncime medie

de penetrare. Statistica ce convine suficient de bine în acest caz este cea gaussiană. S

definesc doi parametri:

-adâncimea medie de penetrare (range - în engleza): RP,

-abaterea (devierea) medie laterală (măsurată perpendicular pe direcţia de implantare

Înainte de implantare După implantatare

Figura 21: Evoluţia unui ion în interiorul cristalului.

59



XII. Oxidarea

XII.1. Importanţa oxidării siliciului:

Oxidarea este o etapă tehnologică de mare importanţă în realizarea circuitel

integrate pe siliciu. Graţie proprietăţii sale de a forma uşor un oxid stabil şi aderent, siliciu

care nu este a priori un foarte bun semiconductor, a devenit materialul cel mai utilizat î

microelectronică.

Vom întâlni operaţia de oxidare pe tot parcursul unui proces modern de fabricare

circuitelor integrate. Este deci primordial să ştim cum se realizează un oxid de bună calitate.

Oxidul poate servi:

- ca mască pentru implantare sau difuzie de dopant,

- ca strat pasivizant (de protecţie) la suprafaţa siliciului,

- ca zonă de izolare electrică între diferitele componente ale unei structuri integrate,

- ca şi strat activ în cazul tranzistorilor MOS (oxid de grilă),- ca izolant electric între straturi adiacente, pentru a creşte gradul de integrare şi

reduce dimensiunile (realizarea de "distantoare", spre exemplu, după cum se va vedea m

departe),

- ca izolant electric între diferitele nivele ce conţin trasee conductoare, metalice sau d

polisiliciu puternic dopat,

- straturi de sacrificiu permiţând ameliorarea performanţelor sau creşterea gradului de

Integrare al circuitelor. Aceste straturi de sacrificiu sunt des utilizate şi în fabricaţia d

microstructuri pe bază de siliciu policristalin; intervin frecvent şi în producţia de microsistem

electromecanice integrate (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems).

XII.2. Principiul oxidării

Există mai multe tehnici de obţinere a oxidului:

- oxidarea termică în prezenţă de oxigen, numită oxidare uscată,

- oxidarea termică în prezenţa oxigenului şi a vaporilor de apă, numită oxidare umedă

- oxidarea termică în prezenţa numai a vaporilor de apă, numită oxidare în vapori ,- oxidarea pe cale electrochimică, numită oxidare anodică,

- oxidarea cu ajutorul plasmei de oxigen, numită oxidare în plasmă.

Operaţia de oxidare consistă deci în a oxida siliciul, dinspre suprafaţă spre interior

substratului. Reacţiile principale sunt următoarele:

Si solid + O2 → SiO2 solid

60



Si solid + 2 H2O → SiO2 solid+ 2H2

Pentru a obţine un oxid cu calitate electronică satisfăcătoare se preferă oxidare

termică, fie cu oxigen, fie în prezenţa vaporilor de apă. În general, oxidarea folosind oxigen

pur dă o creştere mai lentă a stratului de oxid, care îi conferă bune calităţi electronice (num

mic de defecte electric active). Oxidarea cu vapori de apă dă o creştere mai rapidă, dar strat

de oxid va conţine mai multe defecte electrice. Această metodă va fi preferată pentrrealizarea straturilor groase de oxid (câteva mii de Angström), folosite pentru izolare sa

mascare.

Stratul iniţial de siliciu reacţionează cu elementul oxidant pentru a forma SiO2; se v

consuma astfel siliciu. Interfaţa Si/SiO2 se va găsi deci "dedesubtul" suprafeţei iniţiale. U

calcul simplu arată că fracţiunea din grosimea stratului ce se situează "dedesubtul" suprafeţ

iniţiale reprezintă 46% din grosimea totală a stratului de oxid; fracţiunea situată "deasupra

reprezintă deci 54% (figura 22).

Figura 22: Oxidarea siliciului. În timpul oxidării se consumă o parte din substrat

Această creştere de volum va avea consecinţe asupra planeităţii suprafeţei plachete

mai ales atunci când se realizează oxidări localizate. Într-adevăr, creşterea locală de volu

va crea un relief ca cel reprezentat în figura 23.

Figura 23: Efectul oxidării localizate a siliciului. Creşterea de volum creează un relief la suprafaţa plachetei.

Operaţiile de oxidare se realizează în general în cuptoare similare celor folosite pent

difuzie, în care se face să circule oxigen, uscat sau umed, sau vapori de apă. (figura 24).

61



Figura 24: Oxidarea termică cu oxigen sau/şi vapori de apă.

XIII. Depunerile

XIII.1. Introducere:

Această operaţie este necesară când trebuie realizat un strat conductor, izolant sau d

mascare în cadrul unui procedeu de fabricaţie care nu utilizează direct materialul substratulu

Spre exemplu în cazul când se doreşte obţinerea unui strat de oxid de siliciu peste un strat d

bază care nu este din siliciu (acesta poate fi de exemplu un strat metalic sau un strat d

nitrură de siliciu), singura soluţie este cea de a depune oxidul. Într-adevăr, în astfel de cazu

oxidarea termică nu este posibilă şi trebuie efectuată o depunere. Operaţia se face într-un

cuptor care conţine toate elementele constituente ale stratului de realizat.

Tehnicile de depunere folosite pentru realizarea de straturi izolante sau de oxid vor

adesea foarte generale, permiţând realizarea şi a depunerilor de alte materiale, cum armetalele sau semiconductorii.

În producţia industrială sunt utilizate mai multe tehnici de depunere:

- evaporare termică,

- pulverizare catodică,

- tun de electroni,

- depunere chimică în fază de vapori, C.V.D. (Chemical Vapor Deposition),

- depuneri la joasă presiune, L.P.C.V.D.( Low Pressure Chemical Vapor Deposition),- depunere asistată de plasmă, P.E.C.V.D. (Plasma Enhanced Chemical Vap

Deposition),

XIII.2. Evaporarea termică:

Tehnica evaporării termice este foarte simplă şi constă în a încălzi în vid, prin efe

Joule, până la vaporizare, materialul ce urmează a fi depus. Vaporii vor migra în incinta şi s

62

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8b.htm

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#cathodique

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#canon


http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8d.htm


http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8f.htm


http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8e.htm



http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#cathodique











vor condensa pe substrat, realizând depunerea. Şarja de material se plasează într-un creuze

(din wolfram). Figura 25 prezintă principiul acestei tehnici.

Figura 25: Batiu pentru depunere prin evaporare termică în vid.

XIII.3. Depunerea prin pulverizare catodică sau cu tun de electroni:

O ţintă, realizată din materialul ce urmează a fi depus, este bombardată cu io

acceleraţi într-un câmp electric. De pe suprafaţa ţintei se detaşează particule de dimensiu

atomice, care sunt proiectate pe suprafaţa substratului, unde se depun. Figura 26 prezintă

formă simplificată principiul acestei tehnici. Ţinta (conectată la catod) este bombardată c

atomi de argon, ionizaţi şi acceleraţi în câmpul electric de înaltă tensiune stabilit între anod

catod. Aceşti ioni detaşează din ţintă particule care se vor depune pe suprafaţa substratului.

Figura 26: Instalaţie de pulverizare catodică.

Tehnica tunului de electroni constă în a bombarda ţinta (din material refractar) c

electroni acceleraţi, formând un fascicul bine focalizat. Electronii sunt puşi în libertate pr

efect termoelectric, dintr-un catod încălzit. Sunt apoi acceleraţi şi dirijaţi pe traiectorii c

vizează ţinta, prin acţiunea conjugată a unei diferenţe de potenţial electric şi a unui câm

magnetic. Electronii de mare energie smulg particule din ţintă şi le proiectează pe suprafa

63



substratului, realizând depunerea. Figura 27 prezintă într-o manieră simplificată principi

acestei metode.

Tehnicile de pulverizare catodică şi cu tun de electroni permit realizarea depunerilor d

straturi izolante, dar şi de straturi metalice (aluminiu, wolfram, titan, crom, etc...). Sunt folosi

în principal la realizarea straturilor de interconexiune în circuitele integrate.

Figura 27: Instalaţie de depunere cu tun de electroni.

Tehnicile C.V.D. sunt specifice pentru depunerea de siliciu policristalin sau de stratu

izolante. Ele se realizează în general în cuptoare în care se intoduc substanţele reactiv

Calitatea depunerii (proprietăţile structurale şi electrice) este influenţată de presiunea d

cuptor. Tehnicile de joasă presiune (L.P.C.V.D.) permit depunerea de siliciu policristalin,

cărui utilizare în tehnologia microelectronică a permis creşterea netă a gradului de integrar

(prin tehnici de autoaliniere a grilelor tranzistorilor MOS şi a emitorilor tranzistorilor bipola

prin realizarea de interconexiuni de dimensiuni extrem de mici, prin realizarea locală de surs

de dopant, etc.). În cazul depunerii de straturi izolante, randamentul reacţiilor chimice d

cuptor poate fi ameliorat prin activarea moleculelor participante într-un câmp electromagneti

de înaltă frecvenţă. Frecvenţa folosită este de 13,56 MHz, valoare autorizată de administraţ

telecomunicaţiilor. Această tehnică este numită P.E.C.V.D.

XIII.4. Depunerea chimică în fază de vapori asistată de plasmă (PECVD): În tehnica PECVD substanţele sau elementele ce urmează a fi depuse sunt generat

la joasă temperatură, prin aport de energie electromagnetică (furnizată de o sursă d

radiofrecvenţă). Tehnica evită deci încălzirea la temperaturi înalte, care poate ave

consecinţe nedorite uneori (spre exemplu: redistribuirea dopanţilor). Totuşi, pentru a obţine

bună calitate a straturilor depuse, este necesară o încălzire uşoară a substraturilor pe care s

64



realizează depunerea. (câteva sute de grade, eventual). În fabricaţia industrială se foloses

două tipuri de cuptoare (reactoare), principiile lor fiind prezentate în figurile 28 şi 29:

- reactor cu placă port-substrat orizontală,

- reactor cu "perete cald".

Figura 28: Reactor cu plasmă, cu placă port-suport orizontală

Figura 29: Schema unui reactor cu plasma cu "perete cald".

Cu ajutorul acestor reactoare se realizează următoarele tipuri de depuneri izolante:

- oxid de siliciu, SiO2,

- nitrură de siliciu, Si3N4.

XIII.5. Depunerea chimică în fază de vapori la joasă presiune (LPCDV):

Această tehnică constă în realizarea depunerii chimice în fază de vapori, la joas

presiune. Depunerea se obţine într-un cuptor cu "pereţi calzi", la temperaturi de 500...600°C

Se injectează în incinta cuptorului gazele active care vor reacţiona, sintetizând materialul c

urmează a fi depus. În exemplul prezentat în figura 30 se realizează depunerea de silic

65



policristalin (polisiliciu) dopat cu fosfor. Întrucât stratul depus este dopat în cursul elaboră

sale, această tehnică se numeşte dopare in-situ .

Figura 30: Reactor LPCVD pentru depunerea de polisiliciu dopat cu fosfor in-situ

Pentru realizarea acestui gen de depuneri parametri cei mai importanţi sunt presiune

temperatura şi tipul gazului dopant utilizat. De aceşti parametri va depinde morfologia stratul

depus, de care depind proprietăţile lui electrice. Rezultatele unor cercetări recente

asupra acestei tehnici arată că este preferabil să se depună siliciul sub formă amorf

(temperatura de depunere 550°C), iar cristalizarea stratului astfel format să se realizez

ulterior printr-un tratament termic, fie convenţional, fie rapid - cu laser.

XIV. Gravura

XIV.1. Prezentare:

Două tehnici sunt folosite în mod curent :

- gravura pe cale umedă

- gravura uscată.

Cele două tipuri de gravură intervin de un număr mare de ori pe parcursul un

procedeu modern de fabricaţie. Ele permit gravarea de manieră selectivă a straturilor sa

peliculelor, pentru a crea motive (zonele active ale dispozitivelor electronice, griletranzistorilor, traseele de interconexiune, etc...)

XIV.2. Gravura umedă:

Gravura pe cale umedă se face prin atac chimic în soluţie apoasă (baie conţinân

apă). Spre exemplu, oxidul de siliciu este gravat folosind o soluţie parţial diluată de ac

florhidric (HF) tamponată cu florură de amoniu (NH4F). Vitezele de gravare pentru stratu

66


http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap9c.htm


http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap9c.htm



formate din diverse tipuri de materiale depind de concentraţiile substanţelor reactive. Î

general, la gravarea pe cale umedă stratul este atacat în mod egal după toate direcţiile d

spaţiu. Se spune ca gravura este izotropă.

Soluţiile folosite cel mai frecvent, în funcţie de natura materialului gravat, su

următoarele :

- pentru siliciu policristalin : HNO3 + HF- pentru siliciu monocristalin : hidrazina N2H4 (65%) + H2O (35%)

- pentru dioxidul de siliciu : HF + NH4F + H2O

- pentru nitrura de siliciu : H3PO4

- pentru aluminiu : H3PO4 + HNO3 + acid acétic + H2O

Soluţiile vor realiza viteze de atac mai mari sau mai mici, în funcţie de concentraţii

relative ale diverselor elemente din compoziţia lor.

XIV.3. Gravura uscată:

Gravura uscată este de fapt o tehnică de gravare cu plasmă în care intervin în acela

timp efectele bombardamentului cu ioni şi reacţiile chimice. Tehnica aceasta este numit

R.I.E. (Reactive Ion Etching).

Instalaţia folosită seamănă cu reactorul de depunere cu placă port-substrat orizontal

dar gazele injectate sunt în acest caz destinate gravării stratului de suprafaţă al plachetelor (

se vedea figura 31). Se foloseşte şi în acest caz un generator de radiofrecvenţă, care

stimulează formarea substanţelor active în reactor.

Dacă electrozii nu sunt polarizaţi, atacul este în general izotrop, adică identic dup

toate direcţiile. Dacă însă materialele de gravat au direcţii preferenţiale, cum este spr

exemplu cazul cristalelor semiconductoare, gravarea poate fi făcută preferenţial dup

planurile reticulare sau după axele cristalografice.

Figura 31: Reactor de gravare cu plasmă, cu placă port-suport orizontală.

67



Principiul procedeului reprezentat în figura 32 poate fi rezumat astfel:

- generarea în plasmă a substanţelor reactive capabile să atace chimic straturile de p

suprafaţa plachetelor,

- transferul substanţelor reactive spre suprafaţa de gravat,

- absorbţia substanţelor reactive şi atacul suprafeţelor,

- reacţii cu materialul de pe suprafaţă. Produşii de reacţie trebuie să fie volatili, pentra putea degaja suprafaţa.

- desorbţia reactivilor,

- difuzia în mediul gazos.

Dacă toate aceste condiţii sunt îndeplinite, se poate spera într-un bun rezultat a

gravurii cu plasmă. De notat că, pentru punerea la punct a acestei etape tehnologic

dificultatea constă în a genera produşi volatili după reacţia la suprafaţă.

Figura 32: Schema de principiu a mecanismului gravurii cu plasmă.

În funcţie de reactivii introduşi în reactor şi în funcţie de natura stratului de grava

viteza de gravare va fi diferită. Un bun control al gravării se poate face speculând diferenţedintre vitezele de gravare pentru diverse substanţe.

XV. Fotolitogravura

XV.1. Definiţie:

Procedeul de transfer al motivelor de pe o mască (fizică sau virtuală) spre plachetă s

numeşte fotolitografie. Este vorba deci despre un procedeu fotografic care permite gravare

68



de motive într-un strat solid subţire (cum ar fi nitrura, oxid, metal, etc.), urmărind un dese

binedefinit.

XV.2. Principiul fotolitografiei:

Figurile 33 şi 34 explică principiul procedeului de fotolitografiere; scopul urmărit est

transferarea unui motiv reprezentat pe o mască (de exemplu un dreptunghi care corespundunei zone de sursă) spre stratul de suprafaţă al plachetei.

Figura 33: Masca pentru fotolitografiere.

Figura 34: Principiul fotolitografiei: prin insolare (expunere la lumină) se transferă spre plachetă motivul definit p

mască

69

http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch10b.htm#fig1%23fig1






XV.3. Realizarea unui motiv pe plachetă:

În exemplul următor se prezintă procedeul de realizare prin implantare ionică a un

zone cu dopaj de tip p, într-un substrat de tip n. Se prezintă în detaliu diversele etap

elementare parcurse.

Ca şi în tehnica fotolitografiei, se pot utiliza două tipuri de răşină fotosensibilă:

- răşină pozitivă,-răşină negativă.

În cazul folosirii unei răşini pozitive motivul de pe mască se va regăsi exact su

aceeaşi formă în stratul gravat de pe plachetă.

Răşina este întinsă pe plachetă prin centrifugare. Pentru aceasta se foloseşte un dis

turnant (figura 35). Placheta se fixează pe disc prin aspirare. Prin reglarea vitezei de rotaţie

a acceleraţiei se obţine întinderea uniformă a răşinii pe plachetă.

Figura 35: Disc turnant pentru întinderea răşinii fotosensibile.

Stratul depus este apoi uscat (se elimină produsele cele mai volatile), apoi este expus

(insolată) prin mască. Motivele sunt apoi puse în evidenţă folosind un revelator. După

clătire, se aplică un tratament termic (coacere) prin care răşina se durifică, pentru a rezis

atacului chimic ulterior (cu acid fluorhidric, spre exemplu). Prin gravarea umedă cu HF es

atacat stratul de oxid neprotejat de răşină solidificată. În continuare răşina este îndepărtată d

pe suprafaţă folosind un solvent puternic (acetonă, spre exemplu).

XV.4. Expunerea (insolarea) şi limitele ei:

Expunerea (insolarea) plachetei se poate realiza în diverse moduri:- prin contact,

- prin proximitate,

- prin proiecţie,

Fiecare din aceste procedee are avantaje şi inconveniente. Spre exemplu, tehnica d

insolare prin contact asigură, teoretic, cea mai bună definiţie a motivelor, dar conduce

deteriorarea progresivă a măştii după fiecare operaţie de mascare datorită frecării d70



plachetă, cu consecinţe grave la scară microscopică. Proiecţia conduce la o definiţie optic

mai puţin bună, după cum se arată în figura 36, datorită efectului de difracţie a luminii. Î

schimb permite efectuarea unei micşorări a motivului pe cale optică; în acest ultim ca

fabricarea măştii este mai simplă, întrucât nu pretinde realizarea unei definiţii pe mască ega

cu definiţia motivului ce se va realiza pe plachetă.

Figura 36: Intensitatea luminoasă la nivelul răşinii fotosensibile la insolarea (expunerea) prin contact, prinproximitate sau prin proiecţie

Aparent, proiecţia constituie cazul cel mai defavorabil. Dar, exploatând faptul c

răspunsul răşinii la lumină nu este liniar (figura 37), se poate ameliora definiţia motivelo

reglând cantitatea de fotoni transmisă (intensitatea luminoasă, timpul de expunere).

Figura 37: Efectul de neliniaritate a polimerizării răşinii sub influenţa luminii.

Procedeele fotolitografice clasice folosind lumina vizibilă (aproapiată de ultraviolet) n

permit obţinerea definiţiei cerute de noile tehnologii în curs de dezvoltare, limitarea fiincauzată în principal de fenomenul de difracţie. Astfel, reducerea dimensiunilor motivelor ce

punerea la punct de noi procedee, cum ar fi cel al litografiei cu raze X sau al litografiei c

fascicul de electroni.

Litografia cu fascicul de electroni este un procedeu foarte interesant, dar care ar

limitări ce trebuie cunoscute. Lungimea de undă asociată electronilor poate fi suficient d

mică, ea fiind legată în mod simplu de energia de accelerare. Pata de difracţie asociată poat

71



scădea deci până la câteva zeci de Angströmi. Pe de altă parte trebuie avut în vedere fapt

că întreaga suprafaţă a plachetei trebuie baleiată, prin pilotarea fasciculului de electro

(figura 38).

Figura 38: Principiul gravării directe rând cu rând prin fascicul de electroni. Fasciculul este modulat prin wehne

baleiajul este realizat electronic.

XVI. Procedee de fabricaţie

XVI.1. Prezentare:

După ce am studiat ansamblul etapelor tehnologice elementare, capitolul de fa

prezintă câteva procedee complexe tipice, cum ar fi: realizarea diodelor, a tranzistoril

bipolari şi a tranzistorilor MOS.

XVII.2. Necesitatea curăţeniei absolute: camera albă (clean room - în engleză, sal

blanche - în franceză)

Principala grijă în timpul fabricaţiei este curăţenia. Un singur fir de praf de dimensiu

micronice care se depune pe o plachetă poate face inutilizabil un cip conţinând câtev

milioane de tranzistori.

Astfel, întregul proces de fabricaţie se efectuează într-o cameră albă (în franceză: sa

blanche, în engleză: clean room), sală a cărei atmosferă are temperatura şi umiditatea stri

controlate şi în care numărul de particule de praf trebuie să fie cât mai mic posibil.

Se cere evitată pătrunderea prafului în sala de producţie, în particular prin intermedipersonalului. Din acest motiv, toate persoanele care intră în camera albă trebuie să poart

îmbrăcăminte completă special concepută, realizată din materiale care nu degajă scam

mănuşi, glugi, învelitori pentru încălţăminte sau încălţăminte specială, etc... Este evident c

întreg echipamentul pe care se prelucrează plachetele este instalat în camera albă.

XVII.3. Curăţarea substraturilor şi a plachetelor:72



Operaţia de curăţare este indispensabilă înaintea fiecărei etape tehnologice principal

Ea însăşi presupune o lungă succesiune de operaţii elementare. Astfel, dacă o plachetă sa

un substrat a stat în asteptare între două etape importante, trebuie efectuată o degresare şi

decapare a suprafeţei pentru eliminarea impurităţilor depuse şi suprimarea stratului de ox

de siliciu nativ care se formează inevitabil dacă suprafaţa plachetei nu a fost acoperită cu u

strat de protecţie.Etapele elementare ale unei operaţii de curăţare uzuale sunt următoarele:

- 3 minute într-o baie de tricloretilenă caldă (degresare),

- 3 minute într-o baie de acetonă (pentru a îndepărta tricloretilena),

- 3 minute în alcool etilic (pentru a îndepărta acetona),

- 5 minute clătire în apă deionizată,

- 10 minute - fierbere în soluţia bazică SC-1 (3 NH4OH + 7H2O + 3H2O2)

(elimină impurităţile organice, dar creează oxid nativ),- 5 minute clătire în apăa deionizată,

- 10 minute - fierbere într-o soluţie acidă (HCl + 6 H2O + H2O2) (elimină

impurităţile metalice, dar creează oxid nativ),

- 5 minute clătire în apă deionizată,

- 1 minut în acid fluorhidric (elimină oxidul nativ),

- 5 minute clătire în apă deionizată.

Acest ansamblu de operaţii este parcurs ori de câte ori este necesar în cursul un

proceduri complete de fabricaţie.

XVII.4. Realizarea unei diode:

Vom indica etapele principale care permit fabricarea unei diode cu joncţiune pn:

Figura 39: Realizarea unei diode

- curăţarea substratului,

73



- oxidare umedă groasă, pentru realizarea unei măşti de difuzie,

- fotolitografie-1, pentru realizarea deschiderii anodului,

- implantare de Bor

- difuzie-recoacere după implantare,

- oxidare termică umedă,

- fotolitografie-2, pentru deschiderile contactelor,- depunere de Aluminiu,

- fotolitografie-3, realizarea contactelor,

- recoacere forming-gaz,

- depunere de sticlă de Bor - acoperire de pasivizare,

- fotolitografie pentru realizarea deschiderilor pentru contacte prin strat

de pasivizare (aceasta etapă nu s-a reprezentat în figura 39).

XVII.5. Procedeul de fabricare a unui tranzistor bipolar:

Realizarea unui tranzistor bipolar necesită un număr mai mare de etape faţă de caz

unei diode întrucât se cer realizate trei zone: de emitor, de bază şi de colector, dar mai ale

din necesitatea de a obţine parametri electrici ceruţi la nivelul microstructurii.

Principalele etape de fabricaţie sunt următoarele :

- curăţarea substratului;

- realizarea stratului N+ reprezentând colectorul îngropat; aceasta presupune:

-oxidarea, fotolitografia, implantarea de dopant N, recoacerea după implantare

-gravarea oxidului;

- realizarea prin creşstere epitaxială a zonei de bază cu dopaj slab;

- realizarea LOCOS-urilor (se foloseste un strat de nitrură ca barieră de difuzie);

74



- realizarea bazei intrinseci prin implantare ionică (oxidare, fotolitografie, implantare de

bor, gravarea oxidului, recoacere după implantare);

- realizarea puţului de acces la colector şi a emitorului, prin implantare ionică;

- oxidarea de izolare;

- realizarea deschiderilor pentru contacte, prin fotolitografie;

- depunerea de aluminiu,- fotolitografia aluminiului.

În această enumerare nu au fost detaliate toate etapele. Enumerarea lor exhaustiv

chiar pentru acest procedeu considerat ca învechit, ar cere enunţarea a aproape 200 d

etape elementare. Procedeele tehnologice mai recente ating uşor între 400 şi 500 de etap

elementare. Se explică astfel de ce durata de fabricaţie a unui circuit integrat actual este d

2-3 luni, în funcţie de gradul de complexitate.

XVII.6. Procedeu de fabricare a tranzistorilor bipolari cu grad mare de integrare:

Procedeul prezentat anterior nu permite realizarea de structuri submicronice. Evoluţ

tehnologiilor ce folosesc autoalinierea pentru realizarea emiterului şi a bazei extrinseci pr

folosirea straturilor de siliciu policristalin, a permis atingerea dimensiunii de emitor de

0,5 microni. Figura de mai jos prezinta schematic secţiunea printr-o structură de acest fel.

Figura 40: Structura bipolară integrată dublu-poli (polisiliciu n şi polisiliciu p)

Stratul de siliciu policristalin dopat p+ serveşte ca sursă de dopant pentru baz

extrinsecă. Acest strat, fotogravat si apoi oxidat, face posibilă realizarea de distantori care v

permite autoalinierea emitorului. Acesta din urmă e realizat prin difuzie cu dopant provenin

din stratul de siliciu policristalin dopat n+.

XVII.7. Procedeu de fabricare a tranzistorilor MOS:

75



Exista patru tipuri principale de tranzistori MOS. Principiile constructive, simbolurile

caracteristicile electrice de ieşire şi de transfer ale acestora sunt prezentate în continuare.

Este vorba despre tranzistorii NMOS cu îmbogăţire şi cu sărăcire, care sunt respect

normal-blocaţi sau normal-conductori şi despre tranzistorii PMOS cu îmbogăţire şi cu sărăcir

Figura 41: Reprezentarea schematică a unui tranzistor NMOS cu îmbogăţire (sau normal-blocat). Tensiunea d

prag e pozitivă.

Figura 42: Reprezentarea schematică a unui tranzistor NMOS cu sărăcire (sau normal-conductor). Tensiunea d

prag e negativă.

Figura 43: Reprezentarea schematică a unui tranzistor PMOS cu îmbogăţire (sau normal-blocat). Tensiunea d

prag e negativă.

76



Figura 44: Reprezentarea schematică a unui tranzistor PMOS cu sărăcire (sau normal-conductor). Tensiunea d

prag e pozitivă.

XVII.8. Procedeu de fabricaţie al unui tranzistor MOS cu canal N:

În acest caz este vorba despre realizarea mai multor tranzistori pe un substrat comu

Vom urmări pentru început un procedeu simplificat de realizare a tranzistorilor MOS cu can

N, cu îmbogăţire. Aceasta presupune realizarea într-un substrat de tip p, care va reprezentzona de canal, a celor două zone puternic dopate de tip n, reprezentând sursa şi drena

Oxidul de grilă de deasupra zonei de canal va trebui să aibă foarte bune calităţi electrice. Î

finalul procedeului de fabricaţie se vor realiza zonele de contact pentru grilă, sursă şi drena.

Într-o a doua etapă vom vedea un procedeu de fabricaţie mai elaborat, şi deci m

complex, pentru realizarea de tranzistori NMOS şi PMOS în tehnologie CMOS.

Succesiunea principalelor etape tehnologice este următoarea:

- curăţarea substratului,- oxidare groasă de mascare, pentru doparea sursei şi drenei,

- fotolitografie pentru realizarea deschiderilor sursei şi drenei,

- dopare cu fosfor (prin difuzie sau implantare ionică),

- fotolitografie pentru realizarea deschiderii zonei de canal,

- oxidare fină (realizarea oxidului de grilă),

- ajustarea tensiunii de prag, prin implantare ionică de bor,

- fotolitografie pentru deschiderile contactelor de sursă şi drenă,

- depunere de aluminiu,

- fotolitogravarea aluminiului,

-recoacere finală, în forming-gaz (amestec de azot şi hidrogen 10%), pent

îmbunătăţirea calităţii contactelor.

77



Acest procedeu foarte simplu permite realizarea de tranzistori MOS; el corespund

primelor procedee MOS aplicate în practica industrială la începutul anilor 70. Se remarc

existenţa diferitelor etape de mascare necesitând alinierea măştilor. Pentru a reduc

dimensiunile tranzistorilor a fost necesar să se găsească metode ce permit poziţionare

automată a sursei şi drenei în raport cu grila. Aceste tehnologii se numesc deci "autoaliniate

Procedeul CMOS prezentat în continuare ilustrează această nouă tehnologie.

XVII.9. Procedeu de fabricare a tranzistorilor MOS cu canal N şi P în tehnolog

CMOS:

În acest caz se cer realizaţi simultan pe acelaşi substrat tranzistori MOS cu canal N

tranzistori MOS cu canal P. Pentru a avea o vedere completă asupra posibilităţilor d

fabricaţie, vom considera că se realizează şi condensatori integraţi, în cursul aceluiaş

procedeu tehnologic.Va trebui astfel să avem în vedere, pe de o parte, că zonele de canal ale tranzistorilo

aparţinând celor două tipuri au dopaj diferit şi, pe de altă parte, că tranzistorii trebuie să f

izolaţi electric unul faţă de altul, în cadrul aceluiaşi substrat. Aceasta necesită realizarea

în substratul principal a unui "cheson" de dopare pentru zona de canal a unuia din tranzisto

În cazul prezentat aici, substratul de bază este de tip P (aici se realizează tranzistor

NMOS), iar chesonul va fi de tip N (în el se realizează tranzistorul PMOS). Doparea zonelo

de canal, care are influenţă importantă asupra tensiunilor de prag ale tranzistorilor MOS, su

ajustate precis în cursul fabricaţiei, prin implantare ionică (cu B în cazul tranzistorului PMOS

respectiv cu As în cazul tranzistorului NMOS).

Izolarea laterală a componentelor se realizează prin oxizi localizaţi (LOCOS). Totuş

pentru a evita eventuale scurtcircuite sub aceste LOCOS-uri se vor realiza sub-dopaje ca

să blocheze formarea de canale nedorite. Impurităţile din oxizii termici fiind esenţialmente

de sarcină pozitivă, blocarea acestor tranzistori fictivi se va obţine prin realizarea de zon

78



puternic dopate cu bor, plasate sub interfaţa LOCOS/substrat. Se spune că se realizeaz

astfel un "anticanal".

Pentru a realiza tranzistori având lungimea canalui foarte mică procedeul foloseş

autoalinierea. Aceasta devine posibil graţie utilizării siliciului policristalin pentru realizare

grilelor.

Pentru aceste structuri de foarte mici dimensiuni traseele metalice de interconexiune contactele devin din ce în ce mai importante. La trecerile peste praguri abrupte trasele d

conexiune din aluminiu se pot fisura. Aceasta se evită rotunjind muchiile diverselor pragur

traversate de traseele de conexiune. Rotunjirea muchiilor se face folosind sticla (LTO - Lo

Temperature Oxide), suficient de vâscoasă la temperaturi nu prea mari (500...600°C) pentru

rotunji muchiile microreliefurilor. După depunerea acestor sticle şi după un

tratament de recoacere aprox. la 600 °C, se obţine o bună continuitate a stratului de alumin

depus pe suprafaţa plachetei şi, deci, trasee de conexiune fiabile, după fotolitografie.

XVII.10. Tranzistor MOS de putere:

Pentru a suporta tensiuni mari, trebuie ca distanţa dintre zona de canal şi drenă să f

suficient de mare pentru a permite zonei de sarcină spaţială să se întindă, pentru a evi

fenomenul de avalanşă (prin multiplicarea purtătorilor de sarcină prin ionizare prin impact).

Zona de sarcină spaţială poate fi extinsă fie lateral, ca în cazul tranzistorilor DMO

având contactul de drenă mult decalat, fie vertical, ca în cazul tranzistorilor VMOS. În ambe

variante, DMOS şi VMOS, zonele n de mari dimensiuni sunt capabile să suporte tensiu

considerabile. Trebuie notat însă că, deşi se pun în paralel un număr mare de canal

curentul dispozitivului este relativ mic în comparaţie cu cel al structurilor bipolare de

putere sau al tiristorilor.

Figura 45: Reprezentarea schematică a unui tranzistor MOS de putere de tip DMOS.

79



Figura 46: Reprezentarea schematică a unui tranzistor MOS de putere de tipul VMOS.

XVIII. Ameliorarea procedeelor tehnologice

XVIII.1. Prezentare:

Complexitatea circuitelor integrate crescând odată cu reducerea dimensiunilor, est

necesar a se realiza din ce în ce mai multe interconexiuni între componentele circuitulu

Numărul nivelelor (straturilor) de interconexiuni a crescut şi el inexorabil în ultimii ani. Ştiin

că fiecare nivel de interconexiuni necesită un strat izolant şi un strat conductor gravate, dup

realizarea mai multor straturi relieful suprafeţei începe să fie atât de accidentat încât devin

imposibilă realizarea în continuare de trasee conductoare fără defecte. S-au pus deci la pun

tehnici pentru reducerea neregularităţilor. Scopul lor este de a planariza suprafaţa pe care s

va realiza un nou nivel de conexiuni. Se propun două metode principale, una constând în

umple adânciturile prin depunere de material, iar cealaltă în a suprimă vârfurile prin gravare.

XVIII.2. Planarizarea straturilor:

a) Metoda "SOG" :

Acronimul SOG provine de la "Spin-On Glass", care s-ar putea traduce prin "stic

centrifugată". În practică această tehnică constă în a realiza o depune de dioxid de siliciu, pr

centrifugarea (folosind un disc rotativ) a unei substanţe vâscoase la temperatura ambiant

conţinând elemente ce permit sinteza SiO2. În timpul centrifugării substanţa ump

adânciturile de pe suprafaţa plachetei (figura 47).

După evaporarea parţială a componentelor volatile din stratul depus (prin încălzire î

etuvă) stratul este compus esenţialmente din SiO2 şi este supus unui tratament term

(recoacere), pentru densificare (rigidizare).

80



Figura 47: Tehnica de planarizare SOG. Dupa o recoacere de densificare relieful e mai puţin accidentat.

b) Metoda "depunere de răşină":

Această tehnică constă în a depune pe suprafaţa plachetei o răşină sintetică, pr

centrifugare. Aceasta tinde să umple microrelieful. După uscare, suprafaţa e aproape plană

În continuare se efectuează o gravare a răşinii (şi, concomitent, a vârfurilor de oxid sp

exemplu) aşa cum se vede în figura 48, pentru a reduce grosimea stratului depus. Aceast

ultimă operaţie se numeşte gravare de planarizare.

Figura 48: Tehnica de planarizare prin depunere de răşină şi gravare cu plasmă. Planarizarea poate fi foartebună dacă viteza de gravare a răşinii este egală cu viteza de gravare a oxidului.

Această tehnică, mai greu de pus în practică, conduce în general la rezultate mai bun

decât metoda SOG.

c) Polizarea mecano-chimică:

Această tehnică este denumită pe scurt CMP (Chemical-Mecanical-Polishing). S

depune mai întâi un strat de izolant, prin una din tehnicile la joasă temperatur

Se reduce apoi grosimea stratului depus prin polizare, folosind o soluţie chimică de atac c

conţine particule abrazive în suspensie. Granulele abrazive au circa o zecime de micron î

diametru. În aceste condiţii se poate obţine o suprafaţă perfect plană, ce va serv

la realizarea stratului superior de conexiuni.

81



Bibliografie:1. Ana - Lucia Ristea, Th. Purcarea, C. Tudose, “Distributia marfurilor”, Ed. Didactica

Pedagogica, Institutul National “Virgil Madgearu”, Bucuresti 1996

2. I.C. Dima, “Planificarea logisticii comerciale a firmei”, Tribuna Economica nr. 34-

35/1998

3. Dumitru Patriche, Ion Stanescu, Mihai Grigore, Mihai Felea, “Bazele comertului”, Ed

Economica, Bucuresti 1999

4. L. Crossman et J. Baker, "Polysilicon technology", Semiconductor silicon 197

Electrochem. Soc., Pennington, New Jersey, 1977

5. S.M. Sze, "VLSI Technology", 2nd edition, McGraw-Hill International Editions, 1988

6. D.V. Morgan and K. Boar, "An introduction to semiconductor technology", 2n

edition, John Wiley & sons, 19907. R.B. Fair, "Concentration profiles of diffused dopants in silicon, in F.F.Y. Wang, E

Impurity Doping Process in Silicon, North Holland, New York, 1981

8. S.M. Sze, "VLSI Technology", 1st edition, McGraw-Hill International Editions, 1983

9. S.M. Sze, "Semiconductor devices", Wiley, New York, 1985

10. S. Furukawa, H. Matsumura, and H. Ishirwara "heoretical consideration of later

spreadof implanted ions", Jap. J. Appl. Phys., vol. 1, 1972

11. W.K. Hofker, H.W. Werner, D.P. Ooesthoek, and N.J. Koeman, "Boroimplantations in silicon: a comparison of charge carrier and boron concentration profiles"

Appl. Physics, vol. 4, 1974.

12. B.E. Deal and A.S. Grove, "General relationship for the thermal oxidation

silicon", J. Appl. Physics, vol. 36, 1965

13. B.E. Deal , " Thermal oxidation kinetics of silicon in pyrogenic H2O and 5%

HCl/H20 mixture", J. Electrochem. Soc. vol. 125, 1978

14. A.S. Grove, O. Leistiko, and C.T. Sah, "Redistribution of acceptor and dono

impurities during thermal oxidation of silicon", J. Appl. Phys. vol.35, 1964.

15. L.M. Ephrath, " "Selective etching of silicon dioxide using reactive ion etching wi

CF4-H2", J. Electrochem. Soc., vol.126, 1979

16. J.G. Skinner, "Some relative merits of contact, near-contact and projectio

printing", Proc. Kodak Interface'73, vol/ 53, 1973

82



17. A. Liba, ""Dépôt de couches de silicium polycritallin dopées in-situ au phosphor

par la technique VLPCVD", Thèse de l'Université de Rennes 1, n°923, 1993

18. O. Bonnaud, " Present status and future trends of LPCVD processes involved

polysilicon thin film devices", Conférence invitée, Proceedings XI SBMICRO'96, pp. IT52-6

São Paulo, Brésil, 1996,

19. O. Bonnaud, "Analyse du gain des transistors bipolaires à émetteur en siliciupolycristallin", Thése d'Etat n°84-07, Université de Lyon I, 1984

83

logistica-producŢiei-de-plĂcuŢe-de-siliciu-pentru-circuite-integrate

Documents