Processus Microsystème PolySyst - LAAS · a reçu le soutien financier du CNFM et de l’AIME. Process PolySens : Du Capteur au MicroSystème T.Camps, J.Lubin & B.Reig 15/11/2010

Process PolySens : Du Capteur au MicroSystème

T.Camps, J.Lubin & B.Reig 15/11/2010 1

Processus MicroSystème de l’AIME

PolySens

Réalisation de capteurs multi-physiques

à détection Tunnel

(Jonction PN en Polysilicium de type Zener)

1 INTRODUCTION & PLANNING : ...................................................................................................... 2

2 PRESENTATION SIMPLIFIEE DU PROCESSUS « POLYSENS » ................................................ 3

3 SÉQUENCE DÉTAILLÉE DES ETAPES TECHNOLOGIQUES .................................................... 5

3.1 ETAPES PREALABLES AVANT LE DEBUT DU STAGE ........................................................................... 5

3.2 STAGE ETUDIANT ............................................................................................................................... 5

3.3 PROCESSUS TECHNOLOGIQUE DETAILLE ........................................................................................... 6

3.4 MESURES ET OBSERVATIONS FINALES ............................................................................................... 8

4 ANNEXES ................................................................................................................................................ 9

4.1 LE JEU DE MASQUES POLYSENS : ................................................................................................ 9

4.2 TABLEAU DE PARAMÈTRES: .................................................................................................... 10

4.3 METHODE DES 4 POINTES ................................................................................................................. 11

4.4 COULEUR 'OPTIQUE' DE L'OXYDE AVEC L'EPAISSEUR ...................................................................... 12

La mise en place de cette initiation au microsystèmes

a reçu le soutien financier du CNFM et de l’AIME.



1 INTRODUCTION & PLANNING :

Ce processus technologique de MEMS en réalisant des diodes en polysilicium pour la

réalisation de plusieurs micro-capteurs et d’actionneurs. Le très fort dopage de type N est obtenu

par diffusion de phosphore (ND>5.1020cm-3), nous doperons les zones P par implantation ionique

de bore. Cela permet d’explorer une large gamme de dopage (dose), de disposer de zone résistive

(zones P) et réaliser des jonctions PN. Enfin, l’approche microsystème est illustrée par l'intégration

monolithique de capteur et d'électronique analogique de prétraitement (miroir de courant).



2 Présentation simplifiée du processus « PolySens »

Nom de l’étape technologique N°

Wafer Si et film polysilicium dopé par implantation de Bore (type P+)

0

Délimitation de la couche de masquage (protection des zones P+)

par attaque aqueuse du SiO2

1

Diffusion thermique de phosphore

(dopage localisé N++) 2

Délimitation des motifs en polysilicium

par gravure ionique réactive 3

Passivation de la surface des capteurs

par dépôt de SiO2 par LPCVD basse température

4

Délimitation des ouvertures de contact

par attaque aqueuse du SiO2 5

Métallisation et délimitation de plots

par attaque aqueuse de l’aluminium 6

Substrat Silicium

Polysiliciumimplanté Bore

SiO2

SiO2 LTO

Délimitation masque de diffusionen SiO2

Diffusion de Phosphore

Délimitation du PolySi par RIE

Passivation SiO2 par LTO

Ouvertures contacts

Métallisation & délimitation des plots

Type P

N P N



SÉQUENCE DES ÉTAPES DU PROCESS "PolySens"

Etapes préalables : sur substrat passivé de silicium on dépose par LPCVD du film

de polysilicium dopé au Bore (type P) par implantation ionique.

N° OPERATIONS PARAMETRES Durée

Substrat Silicium Type P (NA = 1016 at/cm3)

Croissance d‟une couche d‟oxyde Oxydation thermique humide (~ 0.5µm) 2h

Dépôt de la couche active LPCVD polysilicium non dopé (0.25 µm) ~2h

Dopage type P pleine plaque Implantation ionique de Bore :

E = 50keV, Dose ~1.1014 at/cm² 30 min

Dépôt LPCVD d‟oxyde LTO (~ 0.3µm) 2h

Début à l‟AIME du Stage étudiant sur les MicroSystèmes

1 Photogravure 1 :

"Ouverture diffusion"

Attaque oxyde au Buffer HF (~2')

Test hydrophobie 1h 30

2 Dopage localisé N++ Diffusion thermique de phosphore :

~ 1h à 1050°C 1h30

3 Photogravure 2 :

"Délimitation du polysilicium"

SiO2 par HF+

Attaque polysilicium par GIR (~6min)

suivie par réflectométrie laser

1h30

0H30

4 Passivation : oxyde LTO LPCVD de SiO2 (~0.3 µm) 1h30

5 Photogravure 3 :

"Ouverture des contacts"

Attaque oxyde au buffer HF (~1'30")

Test hydrophobie+ Contrôle µscope 1h30

6 Dépôt par sputtering du métal Aluminium (~ 0.5 µm) 30min

7 Photogravure 4 :

"Délimitation du métal"

Attaque Alu. : H3PO4 / HNO3 + U.S (~5min)

Contrôle µscope 1h30

8 Recuit Métallisation Recuit de 20min à 400°C sous N2H2 30min

Eta

pe

s p

réa

lab

les



3 SÉQUENCE DÉTAILLÉE DES ETAPES TECHNOLOGIQUES

3.1 Etapes préalables avant le début du stage

a) Dépôt d‟une couche de passivation SIO2 par oxydation thermique humide du silicium

Cette couche de passivation isole les capteurs en polysilicium du substrat. Nous avons opté

pour une oxydation thermique humide du silicium qui permet d’obtenir une couche de EOx ~0.5µm.

PARAMETRES DE L‟OXYDATION THERMIQUE HUMIDE

b) Dépôt de la couche „„semi-conductrice‟‟ : film de polySilicium

Pour garantir après diffusion thermique, un profil en dopage uniforme dans le film polysilicium nous avons limité son épaisseur à 0,25 µm et déposé ce dernier par LPCVD.

PARAMETRES DU DEPOT LPCVD

c) Dopage de type P par implantation ionique pleine plaque de Bore

En jouant sur la dose implantée de bore, on module le dopage et donc la résistivité du film de

polysilicium et la tension Zéner des jonctions PN. En conservant une énergie d'accélération de

E=30keV, les doses varient entre de 1013 à 1015 at/cm² (NA ~ 5.1018 à 2.1020at/cm3). La diffusion de

phosphore (type N+) permet elle d’atteindre un dopage proche de 1021 at/cm3 qui garanti l'ohmicité

des contacts et garanti inversion du polysilicium préalablement dopé P (bore). De plus, la forte

diffusivité du bore et du phosphore dans le polysilicium, permet après diffusion thermique à

~950°C pendant 1h, d’obtenir un profil uniforme en dopage!

3.2 Stage étudiant

Avant de pénétrer en salle blanche, une présentation générale sur les microsystèmes, puis de

PolySens est proposée. L’accent est mis sur l’enchaînement des étapes du process et les objectifs

pédagogiques visés. Pendant toute la durée du process, le contrôle de la qualité de chaque étape

doit être un souci permanent pour aboutir au bon fonctionnement des puces sur l’ensemble de la

plaquette!!! Le processus technologique prend environ 6 demi-journées (cf. planning p.2), le reste

du temps sera consacré aux multiples caractérisations. Un ensemble des motifs de tests

technologiques (épaisseurs, résistivité, indice optique,…) sont inscrits sur le wafer et les contrôles

de fin d’attaque (hydrophobie/hydrophilie) peut s’observer sur un bord du wafer dans une zone

dédiée à cet effet.

Température Temps Débits

T= 800 => 1100°C t=25min N2 = 1l/min

T= 1100°C t=40 min H2 = 2.7l/mn, O2 = 1.5l/mn,

T= 1100°C t=30 min O2 = 2,2 l/min

T= 1100°C t=10 min Ar = 1,5 l/min

T= 1100 => 400°C t=60 min N2 = 1l/min

Température Temps Débits Pression

T= 400 => 605°C t=30 min N2 = 1l/min 1 Torr

T= 605°C t=20 min SiH4 = 50cc/min 250 mTorr

T= 605 => 400°C t=45 min Cycles de purges N2 et pompages 1 Torr



3.3 Processus technologique détaillé

1) Photogravure “Ouverture de diffusion” : Masque niveau 1

Opérations Conditions

Dépôt promoteur d’adhérence HMDS, tournette (4000t/min, 10s)

Dépôt résine résine Shipley S1813, tournette : 4000trs/min, 30s

Pré-cuisson Plaque chauffante 100°C, 1min

Alignement-Insolation 5 s

Développement 20°C- 40s

Contrôle développement Microscope optique

Post-cuisson Plaque chauffante 120°C, 45s

Gravure SiO2 Buffer HF

Contrôle gravure. Microscope optique (PolySi => Gris)

Dissolution de la résine Acétone, eau DI

Nettoyage H2SO4+H2O2 (1:1) 2min

Epaisseur d’oxyde de masquage Mesurer l’épaisseur d’oxyde de masquage de la

plaquette par ellipsomètre & profilomètre

Le temps d'attaque est déduit de l’épaisseur optique (couleur) et sachant que la vitesse d'attaque

du SiO2 par le Buffer HF est de VSiO2 LTO ~ 200nm/min. Si l'eau D.I glisse sur le wafer la surface est

qualifiée de surface hydrophobe, c’est le cas sur le silicium. Une surface de SiO2 retient les

gouttes et est qualifiée d'hydrophile. La fin d’attaque aqueuse du SiO2 sera déterminée lors des

attaques au buffer HF quand la surface passera d’hydrophile à hydrophobe.

2) Dopage localisé de type N++ par diffusion thermique de phosphore

En restant dans le seul four de pré-dépôt, à 1050°C on assure le pré-dépôt et la

redistribution du phosphore, tout en minimisant la multiplication des étapes thermiques.

PARAMETRES DU DOPAGE

Température Temps Débits

T= 900°C à 1050°C 15 min Introduction à 900°C sous N2, puis montée en température

T=1050°C 5 min N2 = 2l/mn, O2 = 0,1l/min, (gaz vecteur)

T=1050°C 5 min N2 = 2l/mn, O2 = 0,1l/min, POCl3=5mg/min

T=1050°C 5 min N2 = 2l/mn, O2 = 0,1l/min, (purge du four)

T=1050°C 45 min N2 = 2l/min

1050°C à 900°C 30 min sortie à 900°C sous N2 = 2l/min

3) Photogravure “Délimitation des motifs polysilicium” : Masque niveau 2

Les motifs en SiO2 de masquage de diffusion vont être mis à profit pour le premier alignement

de ce second niveau de photolithographie.




Séchage Plaque (120°C, 2 min)

Dépôt de résine Shipley S1813, tournette : 4000trs/min, 30s

Précuisson : élimination des solvants Plaque chauffante 100°C, 1min


Développement 40s à 20°C


Post-Cuisson : durcissement Plaque chauffante 120°C, 45s

Attaque de l’oxyde de masquage Attaque au buffer HF (~ 3min)

Gravure Ionique Réactive du polysilicium GIR du polysilicium (~2 min)

suivit réflectométrique & Microscope optique

Dissolution résine Acétone, eau (DI) et H2SO4+H2O2 (1 :1) 2min

PARAMETRES DE GRAVURE GIR (RIE) DU POLYSILICIUM

PUISSANCE RF Temps Débits Pression

P= 50 W ~7min SF6 = 30 cc/min (afficher 60) 0.02 mbar

4) Dépôt LPCVD de 0.5 µm d‟oxyde de masquage de diffusion basse température (LTO)

PARAMETRES DU DEPOT D‟OXYDE « LTO »

Température Temps Débits Pression

T= 420°C t=20 min Cycles de pompages et purges N2

T= 420°C t=15 min SiH4 = 60cc/min, O2 = 120cc/min 400 mTorr

T= 420°C t=20 min Cycles de purges N2 et pompages

Ce dépôt LPCVD à très basse température (~400°C) d’oxyde de silicium baptisé ‘LTO’

présente une épaisseur d’environ 500nm constitue une couche isolante efficace pour bien

encapsuler les motifs polysilicium (capteurs).

5) Photogravure “Ouverture des contacts” : Maque niveau 3


Dépôt du promoteur d’adhérence HMDS, tournette (4000t/min, 10s)

Dépôt résine Shipley S1813, tournette : 4000trs/mn, 30s


Alignement-Insolation 5s

Développement Contrôle développement

20°C- 40s Microscope optique


Gravure du SiO2 (Contrôle optique) Buffer HF, LTO (~3min)


6) Métallisation et Délimitation des plots d‟interconnexion (µsoudures)

Dépôt par pulvérisation cathodique (sputtering) de 0.5 µm d'aluminium pour garantir un

bon recouvrement des marches et une meilleure adhérence que les dépôts par évaporation.



Photogravure “Gravure du métal” : Masque niveau 4

Avant cette photolithographie, activer le bain d'attaque Aluminium aux ultra-sons ou à 40°C!


Dépôt résine Shipley S1813, tournette : 4000trs/min, 30s



Développement 20°C- 30s



Gravure Aluminium observer l'élimination de l'Alu (~3min + 30s)

Contrôle gravure Microscope optique


Un recuit de 20 min à 400°C sous N2H2 renforce d'adhérence de l'aluminium et est nécessaire

à la formation d'un bon contact ohmique à l'interface Métal / Semiconducteur.

3.4 Mesures et observations finales

Avant d'observer au microscope optique puis au microscope électronique à balayage, il

convient de mesurer les différentes épaisseurs des couches à l'aide du motif "marches" de la puce

n°1 dédiée à cet effet. Ainsi, l'épaisseur des couches de polysilicium, LTO, d'Aluminium et enfin de

SiO2 seront déterminées à l'aide du profilomètre mécanique (Tencor).

Des tests 4 pointes effectués dans la zone inférieure du wafer, prés du méplat, permettent

d'établir la résistance par carré, puis la résistivité, des couches de polysilicium dopée N (dif.) et P

(impl.) et la zone latérale gauche permettra la caractérisation du Silicium (N & P). Ces valeurs

seront à comparer à celles déduites des mesures sous pointes sur les motifs TLM.



4 Annexes

4.1 LE JEU DE MASQUES PolySens :

Ce jeu de masques contient ~250 puces carrées de 2,2mm de coté. En observant la vue

globale du wafer de 2 pouces, on distingue :

- Deux motifs en forme de croix placée symétriquement autour du centre du wafer. Ces motifs

correspondent aux mires d’alignements (grossier et fin) qui permettront de bien aligner les six

niveaux de masques entre eux.

- Latéralement sont disposés plusieurs types de capteurs distincts (Photodiode, sonde en

température, mesure de déformation et enfin capteur impédancemètrique dédié aux analyses

Biologique ou chimique).

- Une cellule élémentaire répétée 6 fois, et composée de 30 puces distinctes qui seront plus

amplement décrite ci dessous.

- On peut directement tester le polysilicium (test 4 pointes) dans la partie inférieure et le silicium

dans la partie latérale droite.

4 pointes

Silicium

N & P Mires

d‟alignement

Capteurs

Thermique

Mécanique

Capteurs

Photodiode

Bio

Cellule

élémentaire30 puces

4 pointes

PolySilicium

N & P

4 pointes

Silicium

N & P Mires

d‟alignement

Capteurs

Thermique

Mécanique

Capteurs

Photodiode

Bio

Cellule

élémentaire30 puces

4 pointes

PolySilicium

N & P



La cellule élémentaire comprend 30 puces

Pré

se

nta

tio

n d

e l

a c

ell

ule

élé

me

nta

ire

7 p

uc

es

Te

sts

Te

ch

no

. &

Maté

ria

ux

5 p

uces

Te

sts

Co

mp

osa

nts

4 C

irc

uit

s

Inté

gré

sa

nalo

giq

ues

& n

um

éri

qu

es

Ad

ress

ag

e

ma

tric

iel

5 P

ho

to-

dé

tec

teu

rs

&

3 C

ap

teu

rs

the

rmiq

ues

4 p

uces

Ac

tio

nn

eu

rs

éle

ctr

o -

the

rmiq

ue

s

4.2 TABLEAU DE PARAMÈTRES:

n Si 4.24 n SiO2 1.46

εr Si 11.9 εr SiO2 3.9

ε0 8.84.10-14 F/cm



4.3 Méthode des 4 pointes

z

EPolyS

i

0 Surface

PolySi

SiO

2

0 EPolyS

i

z

n(z)

WE

LR

Polysi ..Matériau massif

WL

n

Nombre de carré

PolysiE

dzzznq0

).().(.RSH□ (Ω/□)

Résistance par carré de la couche

W

LdzzR

PolysiE

0

).(

Matériau à gradient de dopage

Evolution de la résistivité du silicium

avec le niveau de dopage

(donneurs N et accepteurs P)

à température ambiante (300°K)

RSH= 4.53 (V1/I)



4.4 Couleur 'optique' de l'Oxyde avec l'épaisseur

Abaques d'évolution de l'épaisseur d'oxyde formé par oxydation sèche et humide

Oxydation sèche Oxydation humique

(vapeur d'eau)

Documents

Processus Microsystème PolySyst - LAAS · a reçu le soutien financier du CNFM et de l’AIME. Process PolySens : Du Capteur au MicroSystème T.Camps, J.Lubin & B.Reig 15/11/2010