A PPROCHE BIDIMENSSIONNELLE : R EVELATIONS C HIMIQUES

La fabrication des circuits intégrés nécessite des étapes de gravure du silicium par l’utilisation de solutions chimiques. A l’inverse de la fabrication et donc de l’élaboration de motifs, ces mêmes solutions peuvent être utilisées pour révéler sélectivement un matériau ou un type de défauts après fabrication. La révélation chimique est une technique destructive car elle oxyde le silicium et attaque l’oxyde de silicium. La révélation chimique associée à une technique de visualisation est la méthode la plus rapide et la plus simple pour déterminer le profil bidimensionnel de jonctions. Elle donne des informations qualitatives sur la distribution des dopants dans le plan de la surface. Cependant, l’efficacité des solutions chimiques de révélation est très dépendante de la luminosité extérieure, de la variation de température et de l’âge de la solution. De plus, la calibration d’un temps d’attaque standard est difficile. Le temps de révélation est spécifique à chaque échantillon, il dépend du type d’implants présents et de la topographie initiale. La technique de révélation chimique est de plus en plus difficile à utiliser sur les nouvelles technologies car les révélations sont trop agressives par rapport aux faibles dimensions des profils d’implantations.

II.2.1 Le principe des révélations chimiques

La méthode de révélation chimique pour révéler des couches de silicium dopé est apparue à la même période que la fabrication des semiconducteurs [WU79]. Dans notre cas, la

révélation est réalisée par une gravure chimique sélective du silicium. La vitesse de gravure du substrat dépend de la composition de la solution, de la concentration des implants et du type de dopants. En règle générale, les acides et les bases corrosives oxydent le silicium et attaquent l’oxyde de silicium. Les solutions chimiques de révélation des dopants sont composées principalement d’un mélange d’acide fluorhydrique (HF), d’acide nitrique (HNO3) et d’acide acétique (CH3COOH) [SCH61]. Le mécanisme de réaction durant le procédé de gravure est complexe. Il se déroule en deux étapes : l’oxydation du silicium et le retrait du dioxyde de silicium SiO2 [CHO02]. Pendant que l’acide nitrique oxyde le silicium, l’acide fluorhydrique enlève l’oxyde de silicium.

Nous allons décrire les étapes d’oxydation du silicium en solution, dans le cas de l’attaque chimique la plus courante. Le silicium réagit avec l’acide nitrique pour former un dioxyde de silicium, de l’eau et du dioxyde d’azote, mais la réaction est assez lente (équation II-5).

2

Dans le même temps, le dioxyde d’azote réagit avec l’eau pour former de l’acide nitreux et de l’acide nitrique (équation II-6).

La réaction de l’équation II-7 est beaucoup plus rapide et elle prédomine par rapport à la réaction de l’équation II-5. Cette différence vient du fait que l’ion NO de l’acide nitreux est ₂⁻ moins stable que l’ion NO₃⁻ de l’acide nitrique.

En même temps que le dioxyde de silicium est crée, il est éliminé par l’acide fluorhydrique. Ce mécanisme est décrit par l’équation II-9.

[ ]

H HF

SiO₂ +6 → _{2 6} +2 ₂ équation II-9

La vitesse de formation / gravure du dioxyde de silicium dépend de la concentration des dopants dans le substrat de silicium. Pour contrôler cette vitesse de réaction un additif est nécessaire. Il s’agit d’un acide organique qui joue le rôle de modérateur d’oxydation. Le plus utilisé est l’acide acétique. Les équations II-10 et II-11 présentent le mécanisme de modération d’oxydation.

L’acide acétique réagit comme une base pour former de l’eau et un ion carbonique (équation II-10).

(

)

H COOH

CH₃ + ⁺ → ₃ ⁺ + ₂ équation II-10

Ce dernier va réagir avec l’ion nitreux de l’acide nitreux pour former un produit organo-nitrique (équation II-11). Cela consomme l’acide nitreux (HNO₂) nécessaire à l’oxydation du silicium. En ralentissant la formation du dioxyde de silicium, cette étape ralentit la révélation chimique.

(

)

II.2.2 Les différentes solutions chimiques

Il existe un grand nombre de solutions chimiques pour révéler les implants du silicium [MER04, SEM04]. Toutes les solutions contiennent de l’acide fluorhydrique. Plus de la moitié des solutions contiennent de l’acide nitrique. La moitié des solutions sont à base d’acide acétique. Cependant les trois quarts des solutions ont un additif à base de Chrome, de Brome ou de Mercure. Or l’utilisation et la possession de toutes solutions à base de Chrome, Brome et Mercure est strictement interdite sur les sites de STMicroelectronics pour des raisons de santé publique et pour la protection de l’environnement. Par conséquent, toutes les solutions contenant ces constituants n’ont pas été étudiées.

C’est ainsi que nous avons étudié les solutions REV2 et REV4 élaborées et utilisées quotidiennement par le laboratoire de STMicroelectronics. Le Dash etch [DAS56] et le Sopori etch [SOP84] ont uniquement été testés pour notre étude.

La REV2 est composée de 1 vol HF (50 %), 5 vol HNO₃ (69 %) et 8 vol CH₃COOH (100

%). Elle révèle les implants fortement dopés en 2 secondes et les faiblement dopés en minimum 4 secondes indépendamment du type de dopant.

La REV4 est composée de 1 vol HF (50 %) et 97 vol HNO₃ (69 %). Elle révèle différemment les zones implantées de type n des zones implantées de type p. Le temps de révélation est fixé à 15 secondes par le laboratoire de STMicroelectronics pour obtenir des révélations satisfaisantes.

Le Dash etch est composé de 1 vol HF (50 %), de 3 vol HNO3 (69 %) et de 12 vol CH3COOH (100 %).

Le Sopori etch est composé de 36 vol HF (50 %), de 1-2 vol HNO3 (69 %) et de 20 vol CH3COOH (100 %).

La seule différence entre les solutions est la proportion des trois acides dans la solution finale. En fonction de ces proportions, la sélectivité chimique est plus ou moins rapide et elle est plus ou moins sensible au dopage. Cela montre l’intérêt de faire des calibrations des vitesses de réaction en fonction des concentrations, pour chaque solution.

II.2.3 La visualisation des implants après une révélation

La révélation chimique attaque plus ou moins rapidement la surface du silicium. Mais elle doit être couplée à des techniques de visualisation de part les dimensions des zones que l’on doit révéler. L’observation de l’attaque de la surface se fait par microscopie pour identifier et visualiser les zones gravées. Le choix de la méthode de visualisation dépend du type de jonction révélée. La visualisation peut se faire par MEB (Microscope Electronique à Balayage) [GON95], MET (Microscope Electronique à Transmission) [ROB85, NEO97], ou encore par AFM (Atomic Force Microscopy en anglais) [RAI94]. Après la visualisation, il faut corréler le profil topographique avec le profil des implants en comparant les images de la topographie avec les schémas d’implantation.

Pour la visualisation par MET, les différences d’épaisseurs sont détectées. Une conversion de l’épaisseur en concentration nécessite des calculs et une bonne connaissance des mécanismes du MET pour prendre en compte les effets et les contraintes dus à la faible épaisseur de l’échantillon. Avec le MET, il est possible d’obtenir des lignes d’iso-concentration avec une grande résolution spatiale (5 nm).

La visualisation en MEB est beaucoup plus utilisée car elle est moins contraignante au niveau de la préparation d’échantillons, de l’utilisation de la technique et pour l’interprétation des images. Des différences de topographie et d’épaisseur sont détectées. La résolution

spatiale est limitée par la « faiblesse » des contrastes observés entre les zones de différentes épaisseurs. La visualisation par MEB apporte des informations qualitatives sur la distribution des dopants.

La visualisation par AFM présente une très grande résolution en profondeur d’attaque, inférieure à l’Angstrom, des différences de topographie. Une des limitations de la visualisation par AFM est la faible taille des zones observées (maximum 100 x 100 µm). La visualisation AFM donnera des mesures quantitatives des tailles caractéristiques de la distribution des dopants.