Traitements thermiques

Les opérations de traitements thermiques sur les substrats en silicium sont effectuées dans des fours permettant:

  • la croissance d’oxyde de silicium
  • le dopage du silicium
  • la redistribution des dopants dans le silicium
  • le dépôt de couches minces en phase vapeur (CVD)
  • le recuit de matériaux (métaux, polyimides, etc)

Les opérations thermiques sur silicium

  • La croissance  d’oxyde de silicium est obtenue par la réaction d’espèces oxydantes à la surface sur silicium (O2 ou H2O) à haute température (800°C à 1200°C) et à la pression atmosphérique selon les réactions chimiques suivantes :

Si + O2 → SiO2 (oxydation sèche)
Si + 2H2O → SiO2 + 2 H2 (oxydation humide)

L’oxydation humide est beaucoup plus rapide que l’oxydation sèche. L’oxydation humide permet de réaliser des épaisseurs d’oxyde de silicium de 200 nm à plusieurs µm.
L’oxydation sèche produit des oxydes de silicium de meilleure qualité isolante que l’oxydation humide. L’oxydation du silicium consomme une épaisseur de silicium égale à environ la moitié de l’épaisseur de la couche d’oxyde formée.

  • Le dopage du silicium par voie thermique est réalisé en utilisant des sources dopantes liquides, solides ou gazeuses contenant des impuretés de type P (Bore) ou N (Phosphore). A haute température (800°C à 1200°C) et à la pression atmosphérique, sous une ambiance oxydante (O2), il y a création à la surface du silicium d’une couche d’oxyde dopé (type P ou N) qui permet aux impuretés dopantes (Bore ou Phosphore) de diffuser à partir de la surface du silicium sur quelques dizaines à quelques centaines de nm. La résistivité du silicium est fonction de la quantité d’impuretés introduites dans le silicium.
  • La redistribution des dopants dans le silicium est une étape qui permet aux dopants (type P ou type N), à haute température (800°C à 1200°C) et à la pression atmosphérique de diffuser dans le volume du silicium jusqu’à la profondeur souhaitée, de positionner les atomes dopants dans le réseau cristallin du silicium afin de les rendre électriquement actif (cas du dopage par implantation ionique). Cette opération se déroule généralement sous ambiance oxydante (O2 ou H2O) afin d’éviter l’exodiffusion des espèces dopantes en dehors du silicium.

 

Équipements d'oxydation thermique, de dopage et de redistribution sur silicium

6 tubes pour l’oxydation thermique du silicium, le dopage et la redistribution (SEMCO), substrats : 2" à 4"

Fours N°1 à 3 :

  1. tube d'oxydation et de redistribution de Phospore (O2 ou H2O)
  2. tube d'oxydation sèche (O2 ou O2 + HCl), pour les oxydes de grille MOS
  3. tube de dopage N, par Phosphore en phase liquide (POCl3)

Fours n°4 à 6

  1. tube d'oxydation humide (O2 ou H2O) du silicium faiblement dopé
  2. tube d'oxydation et de redistribution de Bore (O2 ou H2O)
  3. tube de dopage P, par source solide de Nitrure de Bore (BN)

Les opérations de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

Les opérations de dépôts CVD (Chemical Vapor Deposition) sont réalisées dans des fours sous vide (quelques dizaines de mTorr à quelques Torr), à des températures comprises entre 200°C et 900°C en utilisant des gaz qui contiennent les atomes du matériau souhaité.

Les 2 techniques les plus connues pour les dépôts CVD sont :

  • La technique dite « LPCVD » (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Les dépôts LPCVD permettent notamment de réaliser des couches minces en polysilicium (dopé si addition de gaz dopants), en oxyde de silicium basse température (dopé si addition de gaz dopants) et en de nitrure de silicium haute température. Les vitesses de dépôts en LPCVD sont assez faibles car les dépôts sont réalisés à basses pressions (quelques dizaines de mTorr).
  • La technique dite « PECVD » (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Les dépôts PECVD permettent l’obtention de couches minces en oxyde de silicium, en nitrure de silicium et en oxynitrure de silicium. Les températures utilisées pour les dépôts PECVD sont comprises entre 200°C et 400 °C ce qui permet de réaliser des dépôts de matériaux isolants sur des métaux. Les vitesses de dépôt sont nettement supérieures à celles obtenues pour les dépôts LPCVD du fait de la pression plus élevée (quelques Torr) nécessaires à la création du plasma.

Les gaz utilisés pour ces dépôts CVD sont généralement:

  • Silane (SiH4)
  • Dichlorosilane (SiH2Cl2)
  • Oxygène (O2)
  • Ammoniac (NH3)
  • Protoxyde d’azote (N2O)

Les couches obtenues diffèrent selon le procédé de dépôt utilisé (LPCVD ou PECVD) et selon les paramètres du dépôt (pression, température, débits de gaz, puissance plasma). Les différences portent notamment sur la composition stœchiométrique, la densité, la vitesse de gravure, la constante diélectrique, les contraintes mécaniques, l’indice de réfraction, etc. Des éléments dopants peuvent être introduits pendant le dépôt des couches réalisées par les techniques de CVD à partir de sources liquides ou gazeuses comme :

  • le TMB : Tri-Méthyl-Borate ou B(OCH3)3
  • la phosphine (PH3)
  • le diborane (B2H6)

Équipements de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

2 tubes LPCVD (Low Pressure Chemical vapor Deposition) (SEMI ENGINEERING), fours LPCVD N°1 et 2, substrats : 2", 3" et 4"

  1. tube de dépôt de nitrure de silicium haute température (Si3N4) par LPCVD, et de nitrure haute température "low stress"
  2. tube de dépôt de polysilicium par LPCVD

2 tubes PECVD (Plasma Enhanced Chemical vapor Deposition) type America (ASM), fours PECVD N°1 et 2, substrats : 2" à 4"

  1. tube de dépôt de nitrure de silicium (Si3N4) par PECVD
  2. tube libre

Les fours de recuit

  • tube de recuit aluminium (INTERTHERM), substrats : jusqu’à un diamètre de 4", recuit Aluminium (N2 ou forming gaz N2/H2)
  • tube de recuit sous vide type America (ASM), substrats : jusqu’à un diamètre de 4", recuit des polyimides et du cuivre