Processus de finition avant dans la fabrication de puces: dépôt de film mince

Processus de fabrication de circuits intégrés : Dépôt de couches minces

Les circuits intégrés sont composés de nombreuses étapes de fabrication complexes et raffinées, parmi lesquelles le dépôt de couches minces est l'une des technologies les plus critiques. Le but du dépôt de couches minces est de construire des empilements multicouches dans les dispositifs à semi-conducteurs et d'assurer l'isolation entre les couches de métal. Plusieurs couches de métal conductrices et des couches isolantes diélectriques sont empilées alternativement sur la surface de la plaquette. Celles-ci sont ensuite retirées sélectivement via des processus de gravure répétés pour former une structure 3D.

Le terme mince fait généralement référence à des films d'une épaisseur inférieure à 1 micron, qui ne peuvent pas être produits par usinage mécanique conventionnel. Le processus d'attachement de ces films moléculaires ou atomiques sur la surface de la plaquette est appelé dépôt.

 

Selon le principe sous-jacent, les techniques de dépôt de couches minces sont généralement classées en :

• Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

• Dépôt physique en phase vapeur (PVD)

• Dépôt par couche atomique (ALD)

Au fur et à mesure de l'évolution de la technologie des couches minces, divers systèmes de dépôt ont émergé pour servir différentes étapes de la fabrication des plaquettes.

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▌Dépôt physique en phase vapeur (PVD)

PVD fait référence à un groupe de procédés sous vide qui utilisent des moyens physiques pour vaporiser le matériau cible (solide ou liquide) en atomes ou en molécules, ou les ioniser partiellement, et les transporter à travers un gaz ou un plasma à basse pression pour déposer des films fonctionnels sur le substrat.

Les méthodes PVD courantes comprennent :

• Dépôt par évaporation

• Dépôt par pulvérisation cathodique

• Dépôt par plasma d'arc

• Placage ionique

• Epitaxie par faisceau moléculaire (MBE)

Le PVD se caractérise par :

• Haute pureté du film

• Qualité stable du film

• Températures de traitement plus basses

• Taux de dépôt élevés

• Coût de fabrication relativement faible

Le PVD est principalement utilisé pour déposer des films métalliques et ne convient pas aux films isolants. La raison en est que lorsque des ions positifs bombardent une cible isolante, ils transfèrent de l'énergie cinétique à la surface de la cible, mais les ions positifs eux-mêmes s'accumulent principalement à la surface. Cette accumulation de charge génère un champ électrique qui repousse les ions entrants et finit par arrêter le processus de pulvérisation.

● Évaporation sous vide

Dans un environnement sous vide, le matériau cible est chauffé et évaporé. Les atomes ou les molécules se vaporisent de la surface et se déplacent avec un minimum de collisions à travers le vide pour se déposer sur le substrat. Les méthodes de chauffage courantes comprennent :

• Chauffage résistif

• Induction haute fréquence

• Bombardement par faisceau d'électrons, faisceau laser ou faisceau d'ions

● Dépôt par pulvérisation cathodique

Sous vide, des particules à haute énergie (généralement des ions Ar⁺) bombardent la surface cible, ce qui provoque l'éjection d'atomes et leur dépôt sur le substrat.

● Placage ionique

Le placage ionique utilise un plasma pour ioniser le matériau de revêtement en ions et en atomes neutres à haute énergie. Une polarisation négative est appliquée au substrat, attirant les ions pour se déposer et former une couche mince.

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▌Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

La CVD utilise des réactions chimiques pour déposer des couches minces. Des gaz réactifs sont introduits dans une chambre de réaction et activés à l'aide de chaleur, de plasma ou de lumière. Ces gaz réagissent chimiquement pour former le film solide désiré sur le substrat, tandis que les sous-produits sont évacués de la chambre.

La CVD comprend de nombreuses variantes selon les conditions :

• CVD à pression atmosphérique (APCVD)

• CVD à basse pression (LPCVD)

• CVD assistée par plasma (PECVD)

• PECVD haute densité (HDPECVD)

• CVD organométallique (MOCVD)

• Dépôt par couche atomique (ALD)

Les films CVD présentent généralement :

• Haute pureté

• Performances supérieures
  C'est la méthode dominante pour fabriquer des films métalliques, diélectriques et semi-conducteurs dans la fabrication de puces.

● APCVD

Réalisé à pression atmosphérique et à 400–800 °C, utilisé pour produire des films tels que :

• Silicium monocristallin

• Silicium polycristallin

• Dioxyde de silicium (SiO₂)

• SiO₂ dopé

● LPCVD

Appliqué dans les procédés >90nm pour la production de :

• SiO₂, PSG/BPSG

• Nitrure de silicium (Si₃N₄)

• Polysilicium

● PECVD

Largement utilisé dans les nœuds 28–90 nm pour le dépôt de matériaux diélectriques et semi-conducteurs.
Avantages :

• Températures de dépôt plus basses

• Densité et pureté des films plus élevées

• Taux de dépôt plus rapides
  Les systèmes PECVD sont devenus les outils de couches minces les plus largement utilisés dans les fabs par rapport à l'APCVD et au LPCVD.

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▌Dépôt par couche atomique (ALD)

L'ALD est un type spécial de CVD qui permet la croissance de films ultra-minces en déposant une couche atomique à la fois via des réactions de surface auto-limitantes.

Contrairement à la CVD conventionnelle, l'ALD alterne les impulsions de précurseurs. Chaque couche est formée par une réaction de surface séquentielle avec la couche précédemment déposée. Cela permet :

• Contrôle de l'épaisseur à l'échelle atomique

• Couverture conforme

• Films sans trous d'épingle

L'ALD prend en charge le dépôt de :

• Métaux

• Oxydes

• Carbures, nitrures, sulfures, siliciures

• Semi-conducteurs et supraconducteurs

À mesure que la densité d'intégration augmente et que la taille des dispositifs diminue, les diélectriques à k élevé remplacent le SiO₂ dans les grilles de transistors. L'excellente couverture d'étape et le contrôle précis de l'épaisseur de l'ALD en font l'outil idéal pour la fabrication de dispositifs avancés et sont de plus en plus adoptés dans la production de puces de pointe.

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▌Comparaison des technologies de dépôt

● Performance du dépôt de film

(Ici, vous pouvez insérer un tableau comparatif de la conformité, du contrôle de l'épaisseur, de la couverture d'étape, etc.)

 

● Technologies et applications

(Insérer un tableau montrant les cas d'utilisation de PVD vs CVD vs ALD)

 

● Équipement et capacités

(Insérer un tableau comparant les taux de dépôt, les températures, l'uniformité, les coûts)

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Conclusion

L'avancement des technologies de dépôt de couches minces est essentiel au développement continu de l'industrie des semi-conducteurs. Ces procédés deviennent plus diversifiés et spécialisés, permettant une innovation et un raffinement supplémentaires dans la fabrication de circuits intégrés.