Approche Top-down - FUN MOOC

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Approche Top-down Techniques de dépôt de

couches minces Sylvia Matzen

Maître de conférences Université Paris-Sud / CNRS


Substrat Semiconducteur

Isolant Grille

Source Drain Canal

Le transistor


Le transistor MOS

Substrat Semiconducteur

Oxyde Métal

Source Drain Semiconducteur


Drain: VD>0

Grille non polarisée: VG =0

Source

interrupteur ouvert

Substrat de type P

Isolant Grille

électrons électrons trous

Drain

Transistor MOSFET à canal N


Isolant Grille

électrons électrons électrons

Grille polarisée: VG >0

Source

interrupteur fermé

Drain: VD>0

Transistor MOSFET à canal N


Matériaux en couches minces dans un transistor

substrat semiconducteur

source drain isolant grille contact


Silicium (Si): -  semi-conducteur - très pur (99.999 999 99%!) - cristallin

Substrat: wafer de silicium

Si < 1 mm

Zoom: cristal de silicium


contaminants → Techniques de fabrication sous vide…

Choix de la technique ● matériaux? ● épaisseurs? ● arrangement cristallin des atomes?

Matériau en couche mince

pompage

substrat substrat


Méthodes de dépôt

Physiques Physical vapor

deposition

Chimiques Chemical vapor

deposition


Matériau solide à déposer

Substrat

Dépôts physiques en phase vapeur Physical vapor deposition

Atomes évaporés

Condensation Formation d’un film mince


Dépôts chimiques phase vapeur Chemical vapor deposition

Substrat

Précurseurs gazeux

Réaction chimique

Formation d’un film mince

Adsorption en surface


Adsorption en surface

Condensation Formation d’un film mince

Matériau solide à déposer en couche mince

Substrat

Substrat

Introduction de précurseurs gazeux

Atomes évaporés

Réaction chimique

Formation d’un film mince

Méthodes de dépôt

Physiques Physical vapor

deposition

Chimiques Chemical vapor

deposition


Méthodes de dépôt physique: Evaporation

● matériaux? métaux ● épaisseurs? 10 nm-1µm ● arrangement des atomes?

amorphe

Atome évaporé

Substrat

Source chauffée


Importance de la structure cristalline du substrat

→ Contraintes d’épitaxie

Défauts, dislocations

Nouvelles structures & propriétés!

Epitaxie (MBE): Contrôle de la température et faible pression ● arrangement des atomes? cristallin

substrat

film

compression tension


Méthodes de dépôt physique Evaporation - MBE

Epitaxie (MBE): Contrôle de la température et faible pression ● matériaux? complexes ● épaisseurs? 1-100 nm (faible vitesse de dépôt) ● arrangement des atomes?

cristallin

Atomes évaporés

substrat

Cellules de Knudsen


cible/cathode

Méthodes de dépôt physique Pulvérisation cathodique

● matériaux? conducteurs, isolants, complexes ● épaisseurs? 1 nm - 1 µm ● arrangement des atomes? amorphe - cristallin

Uniformité sur grande surface

Création d’un plasma qui pulvérise les atomes de la cible

Haute énergie des atomes → fortes contraintes

substrat/anode

cible/cathode

E + +

+

-

ions

atomes pulvérisés

collisions


Méthodes de dépôt chimique CVD Chemical Vapor Deposition

● matériaux? alliages complexes, semi- conducteurs, isolants ● épaisseurs? 10 nm - 1 µm ● arrangement des atomes? amorphe – cristallin Adsorption

substrat

Réaction chimique

Précurseurs gazeux

Exemple: oxydation thermique du silicium


Méthodes de dépôt chimique Croissance couche par couche

ALD Atomic Layer Deposition

●●●


Caractérisations des couches minces

● matériau? composition chimique → spectroscopie ● épaisseur? → caractérisation optique ● arrangement des atomes? structure cristalline → diffraction de rayons X

substrat


Exemple: microscopie électronique à transmission Observation de l’arrangement atomique d’une couche mince en coupe

Plusieurs modes: ● contraintes ● composition chimique ● structure cristalline

Substrat

Couche mince

2 nm

Caractérisations des couches minces

2 nm


wafer de silicium

Contact: Pulvérisation cathodique

? wafer de silicium

Isolant: SiO2 ou high « k » oxydation ou CVD Grille: poly-Si CVD


Crédits

Substratsdesilicium2fixéssurleporteéchanGllondelachambred'évaporaGonsousvideparcanonàélectrons,avantdépôtmétallique.LaurenceMEDARD/CNRSPhotothèque

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