Nous nous sommes inspirés des travaux de Domengie pour réaliser cette étude [9]. Les contaminations par implantation et par tournette ont été réalisées au début de la fabrication des plaques de 300 mm lorsqu’un oxyde thermique de 75 Å est présent en surface. Les différentes étapes pour la réalisation de la contamination du lot de plaques de type SPAD (implantation ionique et tournette) et pour permettre son retour en production sont présentées dans la figure 3.17. Afin d’avoir les deux jeux de plaques les plus semblables possibles, les plaques ont subi des procédés équivalents quand c’était possible.
Début Oxydation – formation du SACOX Contamination par implantation ionique Ø 200 mm, z = 100 nm [Pt] < 5.1012at.cm-2
Décontamination 1 FAR, FAV, BdPER – HF/HNO
3, e = 25 Å
Gravure humide 1 FAV, BdP
HF dilué, e = 40 Å Contamination par tournette Pleine surface [Pt], [Au] < 5.1012at.cm-2 Décontamination 2 FAR, BdP ER – HF/HNO3, e = 25 Å Oxydation – reformation du SACOX FAR, FAV 1050°C, 70 s, 100 O2 Décontamination 3 et gravure humide 2 FAR, BdP ER – HF/HNO3, e = 25 Å HF dilué, e = 40 Å Nettoyage Fin
Etapes Détails Schéma
Légende : ST Surrey CEA Si SiO2, 75Å Contaminants Diffusion de la contamination SiO2, 75Å
Figure 3.17 – Protocole suivi pour la réalisation des étapes liées à la contamination
volontaire à une dose maximale de 1012at.cm−2 par implantation ionique (Au et Pt) ou par tournette (Pt seulement) des plaques et de leur préparation pour leur retour en production
– Plaques contaminées par tournette : (Pt uniquement)
– Décontamination 1 : bien qu’inutile dans ce cas, cette étape est ajoutée pour se placer dans les mêmes conditions que les plaques contaminées par implantation ionique. L’utilisation des solutions Eau Régale puis HF/HNO3(c.f. partie 2.8.1) retire 25 Å d’oxyde en face avant et face arrière.
– Gravure 1 : La contamination par tournette ayant été qualifiée sur des oxydes fins d’une épaisseur e de 10-12 Å, nous avons au préalable gravé 40 Å d’oxyde avec une solution de HF dilué de sorte à atteindre une telle épaisseur,
– Contamination : comme nous avons gravé l’oxyde pour atteindre 10-12 Å, il a été néces-saire de faire croître un nouvel oxyde de sorte à obtenir la structure initiale présentant un
oxyde de 75 Å en surface de Si. Celui-ci a été obtenu par oxydation thermique à 1050˚C pendant 70 sec sous atmosphère 100 % O2 à pression atmosphérique. Dans la partie précédente, nous avons conclu que dans de telles conditions, seul le Pt n’entraînait pas de contamination croisée (four et plaque) et diffusait au travers de l’oxyde si introduit en surface (c.f. partie 3.3.3). Ces plaques ont alors été contaminées par tournette seulement en Pt au laboratoire de contamination métallique du CEA-Leti. Nous avons utilisé la même solution mono-élémentaire que pour définir les coefficients de collecte. Trois doses ont été choisies : 5.1010at.cm−2, 5.1011 at.cm−2 et 5.1012at.cm−2. Pour avoir un plus large échantillonnage, les plaques contaminées à 5.1010et 5.1011at.cm−2 étaient au nombre de trois et les plaques contaminées à 5.1012at.cm−2au nombre de quatre,
– Décontamination 2 : la contamination par tournette en face avant entraîne également la contamination du bord de plaque. Il peut également il y avoir un retour de la solution de contamination en face arrière. Les plaques ont alors été décontaminées en bord de plaque et en face arrière selon la méthode présentée dans le chapitre précédent (c.f. partie 2.8.1) afin de minimiser au plus les risques de contamination du four utilisé pour l’oxydation,
– Oxydation : cette étape a été faite plaque par plaque. Les conditions d’oxydation sont de 1050˚C pendant 70 s dans une atmosphère 100 % O2. Un four LEVITOR4300 de chez LEVITECH a été utilisé. Cette étape conduit à la formation d’un oxyde thermique de 75 Å aussi bien en face arrière qu’en face avant des plaques.
– Gravure 2 & Décontamination 3 : l’oxydation entraîne la diffusion des espèces dans le volume. Afin de limiter au plus la contamination des équipements du site de Crolles lors du retour des plaques en production, il a été décidé de retirer l’oxyde présent en face arrière par gravure chimique avec une solution de HF dilué et d’appliquer une étape de décontamination en plus, identique à la décontamination 2. Les plaques ont ensuite été envoyées sur le site de Crolles pour finir leur production,
– Nettoyage : un nettoyage par EDI sur les plaques en provenance de l’extérieur du site est appliqué dans le but de retirer toutes les particules apportées pendant le voyage. – Plaques contaminées par implantation ionique : (Pt et Au)
– Contamination : pour pouvoir comparer les résultats DCR des plaques implantées à ceux des plaques contaminées par tournette, les plaques implantées ont également dû subir une oxydation à 1050˚C. Comme conclu dans la partie 3.3.3, seuls l’Au et le Pt présentent une faible dangerosité vis à vis des plaques et des équipements dans de telles conditions. L’implantation a été faite à l’aide d’un équipement Danfysik 1090 à l’"Ion Beam Center" de l’Université sur des plaques de 300 mm. Un oxyde de 75Å présent en surface a limité l’amorphisation du Si. Des énergies de 380 keV ont permis l’implantation de l’Au2+ et du Pt2+à une profondeur de 100 nm sous l’interface SiO2/Si. Les contaminants ont donc été introduits dans la zone P du photodétecteur comme le montre la figure 3.18(a) soit à environ 0,8 µm de la jonction du photodétecteur. L’implantation couvre une surface circulaire de 100 mm de diamètre et est légèrement
décentrée, comme l’illustre la figure 3.18(b). Ceci est dû au modèle de l’implanteur utilisé qui est configuré pour accueillir des plaques de Si de 200 mm. Trois doses ont été sélectionnées : 5.1010, 5.1011 et 5.1012 at.cm−2. Chaque plaque est unique, contrairement au cas de la contamination par tournette,
Zone P Zone N
Substrat P
Implan-tation
(a) Vue en coupe
300 mm
100 mm
Zone implantée
(b) Vue de dessus
Figure 3.18 – Vue en coupe [15] d’une structure SPAD avec une zone active de 8 µm
de diamètre et vue de dessus de la zone d’implantation
– Décontamination 1 : l’implantation ionique a été réalisée dans un laboratoire extérieur. Pour le retour en salle blanche au LETI, la procédure demande à effectuer une déconta-mination face avant et face arrière. Elle retire 25 Å d’oxyde sur chacune des deux faces, face avant et face arrière,
– Les étapes de Gravure 1, Décontamination 2, Oxydation, Gravure 2, Décontamination 3 et Nettoyage sont similaires aux plaques contaminées par tournette.
Sur les 25 plaques que constituent un lot complet :
– une est restée sur le site de STMicroelectronics et n’a pas été contaminée pour servir de référence,
– parmi le jeu "contamination par tournette", deux plaques n’ont pas été contaminées pour évaluer l’impact des étapes ajoutées, deux autres ont été mises en contact avec la solution de contamination à base de HNO3 dilué pour évaluer l’impact de cette solution,
– parmi le jeu "contamination par implantation", une plaque a été placée dans l’équipement d’implantation durant l’ensemble des implantations Au et Pt pour évaluer la contamination apportée par l’environnement de l’implanteur.
Le détail des plaques ainsi réalisées est présenté dans le tableau 21 placé en annexe.
Au retour des plaques sur le site de STMicroelectronics et après leur nettoyage, le lot de plaques a réintégré le processus normal de fabrication : il est passé sur les mêmes équipements que tout autre jeu de plaques produit.
Au cours du processus de fabrication à STMicroelectronics, des contrôles sur plaque témoin (c.f. partie 1.2.1) par VPD-DC-ICPMS ont été mis en place sur les équipements jugés critiques, tels les fours (évaporation et diffusion de la contamination) et les équipement de nettoyage (contaminants transférés au bain de nettoyage et potentiellement mis en contact avec le Si nu)
pour vérifier qu’il n’y avait pas de contamination croisée Au et Pt et de risques pour les lots produit suivants. Le processus complet de fabrication comptant plus d’un millier d’étapes, il n’était pas concevable de générer et analyser autant de plaques témoin que d’étapes. Seules les étapes destinées à la réalisation de la zone active des composants ont fait l’objet d’un contrôle. C’est grâce au développement de la mesure de la contamination métallique noble par VPD-DC-ICPMS que cette étude a pu être autorisée sur une ligne de production standard et a été rendue possible.
Après avoir présenté comment la contamination des plaques SPAD ainsi que leur retour en production ont été réalisées, nous allons aborder les résultats des mesures DCR afin de déterminer l’impact de l’Au et du Pt sur les performances électriques.
3.4.2 Résultats des mesures de DCR