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Approche Top-down Techniques de dépôt de
couches minces Sylvia Matzen
Maître de conférences Université Paris-Sud / CNRS
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Substrat Semiconducteur
Isolant Grille
Source Drain Canal
Le transistor
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Le transistor MOS
Substrat Semiconducteur
Oxyde Métal
Source Drain Semiconducteur
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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
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Isolant Grille
électrons électrons électrons
Grille polarisée: VG >0
Source
interrupteur fermé
Drain: VD>0
Transistor MOSFET à canal N
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Matériaux en couches minces dans un transistor
substrat semiconducteur
source drain isolant grille contact
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Silicium (Si): - semi-conducteur - très pur (99.999 999 99%!) - cristallin
Substrat: wafer de silicium
Si < 1 mm
Zoom: cristal de silicium
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contaminants → Techniques de fabrication sous vide…
Choix de la technique ● matériaux? ● épaisseurs? ● arrangement cristallin des atomes?
Matériau en couche mince
pompage
substrat substrat
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Méthodes de dépôt
Physiques Physical vapor
deposition
Chimiques Chemical vapor
deposition
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Matériau solide à déposer
Substrat
Dépôts physiques en phase vapeur Physical vapor deposition
Atomes évaporés
Condensation Formation d’un film mince
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Dépôts chimiques phase vapeur Chemical vapor deposition
Substrat
Précurseurs gazeux
Réaction chimique
Formation d’un film mince
Adsorption en surface
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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
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Méthodes de dépôt physique: Evaporation
● matériaux? métaux ● épaisseurs? 10 nm-1µm ● arrangement des atomes?
amorphe
Atome évaporé
Substrat
Source chauffée
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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
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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
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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
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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
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Méthodes de dépôt chimique Croissance couche par couche
ALD Atomic Layer Deposition
●●●
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Caractérisations des couches minces
● matériau? composition chimique → spectroscopie ● épaisseur? → caractérisation optique ● arrangement des atomes? structure cristalline → diffraction de rayons X
substrat
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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
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wafer de silicium
Contact: Pulvérisation cathodique
? wafer de silicium
Isolant: SiO2 ou high « k » oxydation ou CVD Grille: poly-Si CVD
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Crédits
Substratsdesilicium2fixéssurleporteéchanGllondelachambred'évaporaGonsousvideparcanonàélectrons,avantdépôtmétallique.LaurenceMEDARD/CNRSPhotothèque