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CMOS Technology: part 2
C. Fenouillet-Beranger SOI Devices Engineer, CEA/LETI & STMicroelectronics, Crolles 1
Plan
Introduction
– Voir Cours précédent
Chapitre 1: Les outils technologiques de base
– Oxidation – Dépôt – Photo-lithographie – Gravure (sèche et humide) – Implantation ionique – L’epitaxie
Chapitre 2 : Exemple de filiere moderne
– Objectif de l’integration – Enchainement des étapes technologiques
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Ingénieur Filière
Etapes Elementaires (process/ R&D)
Photo/Litho Gravure Dépôts Implantation Recuits Nettoyages (Physique, Chimie)
Assemblage Caractérisation 3
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Materiaux (phys/chimie)
Procédés Elementaires
Phys. Compo
Definition d’une technologie
Phys. Compo
Conception dispositif
Electronique, Marketing, Design
Design de produit Fabrication
Phys. Compo
Caracterisation
Materiau, Gestion
Production
Phys. Compo, Phys. Fond
Physique fine 4
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Chapitre 1 : Les étapes technologiques de base
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Les familles de matériaux utilisés en microelectronique
Type de matériaux Semi-conducteurs Isolants Dopants Métaux Matériaux
Si Si x Ge 1-x SiO 2 Si 3 N 4 (nitrure de Si) Al 2 O 3 HfO 2 (alumine) (oxide d’hafnium) Type n : As, P,Sb Type p : B, In Neutre : Ge, Xe Ni, Co W TiN TaN Al Cu
Technique d’integration
Substrat, epitaxie epitaxie Thermique ou dépôt Dépôt Dépôt Dépôt Implantation ionique Implantation ionique Implantation ionique Dépôt Dépôt Dépôt Dépôt Dépôt Dépôt
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Isolants : SiO
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et Si
3
N
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O 2
Si Si Avantage Procédé mature Qualité de l’interface oxyde-silicium excellente Couches mince (qqs A) Recuit four T=900-1000 °C Inconvenient Température élevée Consomme du Si
L’Oxydation thermique
SiO 2 Si Oxyde SiO 2 « thermique » En surface
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Les dépôts d’isolants
Réacteur de dépôt CVD pour oxyde (TEOS) ou Nitrure (Si 3 N 4 ) – Four à basse pression (LPCVD) – Assisté par plasma (PECVD)
precurseur
SiO 2 ou Si 3 N 4 Si Si Avantage Basse temperature Pas de consommation de Si Inconvenient Interface avec Si Qualité du matériaux Four : 700°C Plasma : 500°C
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Exemples de réactions chimiques permettant un dépôt
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La conformité des dépôts
Si 3 N 4 e 1 e 2 e 1 SiO 2 Si Si 3 N 4 e 2 e 1 SiO 2 e 1 Si e 1 =e 2 e 1 < > e 2
Dépôt conforme Dépôt non-conforme 11
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Propriétés des matériaux
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Le polissage mecano-chimique (CMP)
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Polissage Mecano Chimique (CMP)
Objectif : aplanir une surface Pad Slurry
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Polissage Mecano Chimique (CMP)
Action mecanique Reaction chimique Surface plane • La planarisation depend beaucoup de l’environnement et de la taille des structures a planariser. Dans la pratique le design d’un circuit tient compte de cette necessité.
• Cette technique permet d’obtenir un grand nombre de niveau de metalisation en evitant les topographies importantes
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Lithographie
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Du Layout au Silicium : Masques et Lithographie
Grossièrement, on emploie des lentilles pour manipuler la lumière afin de la focaliser, la réduire et graver le wafer à partir du masque.
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Photo-lithographie (1)
Permet de déposer de la resine (polymère) sur une zone de Si afin de la protéger UV (248nm ou 193nm) Zone fragile masque résine Si résine Si résine Si
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developpeur résine Si
Photo-lithographie (2)
Zone non protégée résine Si Zone protégée
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Les problèmes liés à la résine
Le facteur de forme, ou aspect ratio AR = h/CD – Si AR > Ar max (~100) la resine dévelopée se deforme (effet gravitationnel) CD h Si Si deformation Si collapse
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Photo correcte
Exemples de lithographie
Résine « collapse » resine Silicium
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Les limites de la photo-lithographie optique
L’alignement des masques les uns par rapport aux autres (notion d’overlay) Erreur d’alignement 2 niveaux Erreur d’alignement 3 niveaux
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Lithographie ebeam
Lithgraphie par faisceau d’electron Par rapport à la photolithographie, l'avantage de cette technique est qu'elle permet de repousser les limites de la diffraction de la lumière et de dessiner des motifs avec une résolution pouvant aller jusqu'au nanomètre (typiquement 20nm) Procédé long par rapport à la projection de masque car écriture des motifs
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Scanner à immersion
La lithographie par immersion consiste à placer le wafer dans un bain liquide qui a un indice de réfraction supérieur à 1 - Le liquide agit donc comme une lentille ou une loupe en grossissant l’apparence du wafer. Le principe est le même que pour la lithographie sèche, il s’agit de focaliser la lumière pour accroître la finesse de gravure.
- La photolithographie par immersion permet de plus facilement augmenter la finesse de gravure Les machines sont chères
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Extreme UV
- La
lithographie EUV
(Extreme Ultra Violet) est similaire aux procédés de lithographie classiques actuels - Rayonnement UV d'une longueur d'ondes de l'ordre de 10 à 15 nanomètres (le rayonnement EUV entre donc dans la gamme des rayons X-mous), en remplaçant les objectifs (ou masques dits « en transmission ») par une série de miroirs de précision (i.e. masques dits « en réflexion ») Il permet ainsi une résolution inférieure à 45 nm
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Gravure sèche et humide
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La gravure « sèche »
L’objectif est d’enlever un matériau A selectivement par rapport a un matériau B à l’aide d’un plasma (reaction chimique et physique) Ions HBr, CF 4, O 2 ..
Après gravure Après élimination résine E résine résine Si V Si Résidus de gravure (produits des réactions chimiques) Si
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Exemple
Si
Si 3 N 4 SiO2
Si Si Si
Tranchée 28
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Gravure chimique & physique
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Gravure ionique Au temps…
Comment s’arrête une gravure sèche ?
Au temps et à la selectivité Gravure ionique A la DFA (détection de fin d’attaque) Gravure ionique Si 3 N 4 SiO 2 Si Si 3 N 4 SiO 2 p Si p = vitesse gravure x temps Si derive procédé surgravure, sous gravure…adapté pour les gravure longues (t>>10s) Si 3 N 4 SiO 2 Si 3 N 4 SiO 2 Si Si molécules Critere de fin de gravure Si 3 N 4 SiO 2 Si p Ex : Gravure selective 1000:1 de Si3N4/SiO2 Si derive procédé SiO2 se grave 1000 fois moins vite que Si 3 N 4 , donc p reste constant Molecules de SiO2 Si 3 N 4 SiO 2 p Si Ex : on arrête la gravure lorsque l’on detecte les premieres molécules de SiO 2 . Le temps n’intervient plus.
temps
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Gravure ionique
Les différents types de gravures sèches
Anisotrope Isotrope Gravure ionique Si 3 N 4 SiO 2 Si 3 N 4 SiO 2 Si Si Si 3 N 4 SiO 2 Si Si 3 N 4 SiO 2 Si
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Exemples de gravures usuelles
Si
Espece à graver DFA possible sur
SiO 2
Exemple
Gravure grille SiO2 Si3N4, Si Espaceurs Si3N4 Si SiGe (%Ge>20%) Si,SiO2 Espaceurs Tunnel enterré (SON)
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Nettoyage et Gravure Humide
But : préparer une surface pour un dépôt, enlever des particules ou polymeres résiduel ou retirer de manière isotrope un matériau X Moyen : attaque chimique (liquide)
Nom Formule Utilisation
CARO (SPM) SC1 SC2 HF Acide Nitrique HF/H2O2 Acid Phosporique TMAH HF Dilué H2SO4/H2O2 NH4OH/H2O2/H2O HCl/H2O2/H2O HF 49% + H2O HNO3 (69%) HF (49%)+H2O2(30%)+eau H3PO4 (CH3)4NOH(3%) + eau + peroxyde HF/H2O Decontamination orgranique (eg. retrait resine) Decontamination particulaire (grave Si) Decontamination metallique Gravure SiO2 Decontamination organique et metaux lourds Empeche la decontamination metallique durant un nettoyage HF Gravure Si3N4 Gravure Si Gravure et decontamination particulaire
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Exemple : Principe du SC1
Mélange de NH 4 OH/H 2 O 2 /H 2 O pour un retrait de particules Mecanisme = Oxydation, gravure et repulsion – Oxydation du Si par H 2 O 2 – Gravure de la couche formée par les ions OH – Répulsion électrosatique des particules • Polarisation négative des particules et de la surface par les ions hydroxydes • Formation d’une couche de chage opposée dans le liquide • Ecran électrostatique particule Si H 2 O 2 Si SiO2 NH 4 OH Si H 2 O 2 + + + - + + + + + + + + + + ------------ Si Particule adsorbée Particule adsorbée Gravure SiO2
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HF Dilué
Exemples et equipements
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Exemple de combinaison litho-gravure : La gravure grille
But: definir la grille du transitor
Litho Gravure Nettoyage CD grille
Poly-Si SiO 2 DFA Si Si
Gravure
Si
Nettoyage
Ex. : resine trop fine
CD grille
Si Si Si
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Exemple de gravure Grille
Poly-Si Si
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Implantation Ionique et Activation
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courant Ex:PH3 PH+ P+ P++ ..
Spectro de masse
L’implantation Ionique : Principe
Contrôle l’energie des ions 2eme filtrage par fente Evite la contamination energetique et de dose Ou deceleration Mesure In-situ de la dose
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L’implantation Ionique : Principe
Objectif : definir les zones de dopants utilisée dans le fonctionnement du transistor Moyen : Implantation d’espece de type donneur ou accepteur sous forme d’ions accélérés par un champs électrique
Largeur à mi-hauteur
Rp 40
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Energie et dose des dopants usuels
Type d’implantation
Caisson n Caisson p Pre-dopage grille n+
Espèce
B, In As P Pre-dopage grille p+ B Extension SD n (LDD) Extension SD p (LDD) SD n (HDD) As B,BF2 SD p (HDD) As B Note : ordre de grandeur pour un transistor de longeur < 100 nm LDD = Lightly Doped Drain ; HDD = Heavy Doped Drain
Energie (keV)
100-200 100-200 10-30 3-5 0.5 - 2 10-30 2-5
Dose (at/cm²)
1 x10 12_ 4 x10 12 1 x10 12_ 4 x10 12 2 x10 15 – 5 x10 15 2 x10 15 – 5 x10 15 B: 0.5-2 ; BF2: 1 - 4 0.1 x10 15 – 5 x10 15 1 x10 15 – 5 x10 15 1 x10 15 – 5 x10 15
Remarques
0.1 x10 15 – 5 x10 15 Souvent appelé Ultra Low Energy (ULE)
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Exemple d’implantations typiques
As 1e15 1keV As 2e15 15keV P 6e13 20keV B 3e12 8keV X (nm)
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ions resine Si
Pouvoir d’arrêt
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L’activation des dopants
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Les recuits d’activation et de diffusion
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Diffusion
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Conclusion
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Les « Combos » usuels
Etapes de dépôts et d’oxydation thermique – Nettoyage Dépôt Mesure d’épaisseur (ellipsométrie) Etapes de photo-lithographie/Gravure – Photo mesure CD/overlay matériaux servant à la DFA gravure mesure d’épaisseur du nettoyage résine mesure CD Etapes de gravure seule – Gravure nettoyage résidus mesure CD mesure mat. DFA Etapes d’implantations – Lithographie implantation retrait resine Etapes de recuit – Nettoyage Four
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Chapitre 2 : Exemple de Filière Moderne
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Matériau de départ
Les tranches proviennent de fournisseurs sélectionnés Un lingot est constitué à partir de silicium hautement purifié.
Procédé Czochralski: croissance de cristaux monocristallins de grande dimension (plusieurs centimètres).
Principe de solidification dirigée à partir d'un germe monocristallin de petite taille. Matériau fondu à une température juste au-dessus du point de fusion, avec un gradient de température contrôlé.
Le germe est placé dans une « navette » suspendue au-dessus du liquide par une tige. Le liquide se solidifie sur le germe en gardant la même organisation cristalline (épitaxie) au fur et à mesure que l'on tire le germe vers le haut tout en le faisant tourner (à vitesse très lente).
L'opération se passe sous atmosphère neutre (argon ou azote) pour éviter l'oxydation.
Des coupes transversales du lingot sont pratiquées pour former les tranches.
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Objectif
Réaliser l’intégration complète d’une technologie CMOS avec 2 niveaux d’interconnexion Le schéma d’intégration peut être divisée en différents modules technologiques
Isolation
: définition des zones actives de Silicium et de l’isolation entre ces zones Definition des
caissons
n & p par implantation ionique Réalisation de la
grille
du transistor : oxide de grille et electrode de grille, puis gravure grille Définition des
extensions
de source et drain par implantation ionique Définition des
espaceurs
et des zones de sources et drain
Activation
des dopants
Silicuration
des sources/drains Réalisation des
contacts
Premier niveau de
metallisation Connexion
vers 2ieme niveau de métallisation Deuxième niveau de
metallisation 51
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contact
Vue Générale du MOSFETs réel
Électrode de grille espaceurs contact Lg source X S/D extension source L Diff X ext
L
2 L
L
canal 2 Isolation latérale drain extension drain Oxyde de grille T ox siliciure
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1 Module d’Isolation (STI, Shallow Trench Isolation)
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Silicium Nettoyage, HF+RCA Oxydation thermique (SiO 2 « padox »), 7nm Dépôt Nitrure (Si 3 N 4 ), 100nm Dépôt TEOS (SiO2) Masque dur, 50nm
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Photo-lithographie zone active (masque active) Résine Résine Gravure zone active (profondeur ~ 3000A) Elimination Résine
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Nettoyage (HFRCA) Oxydation thermique des tranchée Remplissage des tranchées par oxide « HDP » Recuit de densification de l’oxide (permet une meilleur tenue aux nettoyages par la suite)
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Planarisation de l’oxyde avec arrêt sur nitrure Gravure Humide du nitrure, puis de de l’oxide
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2 Définition des Caissons n & p
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Oxydation thermique (9nm) dites « Sacox » : oxyde sacrificiel servant a protéger la surface lors des implantations caissons Photo Caisson n (canal du pMOS) : protège les zones nMOS Implantation profonde P (isolation) Implantation As pour réglage de la tension de seuil du pMOS Caisson n
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Elimination résine Photo Caisson p (canal du nMOS) : protège les zones pMOS Implantation profonde B (isolation) Implantation B/In pour réglage de la tension de seuil du nMOS Caisson p Elimination résine Recuit d’activation des dopants de caisson Caisson p Caisson n Caisson n
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3 - Definition de la Grille du Transistor
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Nettoyage pour préparation de surface (HFRCA) Caisson p Oxidation thermique (1 2nm) : fabrication de l’oxyde de grille du transistor Caisson n Caisson p Caisson n
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Dépôt de l’electrode de grille (poly-silicium), ~ 100nm Caisson p Caisson n
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Photo-lithographie sur caisson n (pMOS) Pré-dopage grille nMOS : implantation P (règle le travail de sortie du poly silicium afin d’obtenir une tension de seuil acceptable (<0.5V) pour le nMOS Caisson p Caisson n
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Elimination résine -Photo-lithographie sur caisson p (nMOS) Pré-dopage grille pMOS : implantation B (règle le travail de sortie du poly silicium afin d’obtenir une tension de seuil acceptable (>-0.5V) pour le pMOS Elimination résine Poly n + Caisson p Poly p + Caisson n
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Dépôt masque dur TEOS (~ 50nm) - Photo-lithographie de grille (masque Grille), CD<100nm Poly n + Caisson p Poly p + Caisson n
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gravure anistrope du masque dur et retrait résine Poly n + Poly p + Caisson p Poly n + Caisson n Gravure anisotrope du polysilicium avec arrêt sur oxyde de grille Poly p + Caisson p Caisson n
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-Retrait masque dur TEOS Poly n + Caisson p Poly p + Caisson n
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4 – Extentions S/D
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- Photolithographie (masque nLDD, protege la zone pMOS) -Implantation As Poly n + Caisson p Poly p + Caisson n
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Implantation B tilté (~ 25°) de poches de surdopage : renforce localement le dopage du canal. Efficace sur les petits transistors, négligeable sur les transistors longs.
retrait résine Poly n + Poly p + Caisson p Caisson n
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Extension n + Poly n + Poches p Caisson p Photo pLDD (protège les zones nMOS) - Implantation des extensions pMOS (B) Implantation As tilté (~ 25°) de poches de surdopage : renforce localement le dopage du canal. Efficace sur les petits transistors, négligeables sur les transistor longs.
retrait résine Extension p + Poly p + Poches n Caisson n
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5 - Espaceurs
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Dépôt TEOS (~ 10nm) Dépôt Nitrure (~ 30nm)
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Gravure Anisotrope du Nitrure avec arrêt sur SiO2 - Desoxidation HFRCA
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6 – S/D , recuit d’activation et Siliciure
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-Photo S/D N (protege pMOS) -Implantation SDN (As,P) -Photo S/D P (protege nMOS) -Implantation S/D P (B)
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Recuit d’activation des dopants Dépôt Métal pour Siliciuration
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Réaction de siliciuration, et retrait de metal en excès Depôt nitrure de la couche d’arrêt de gravure contact
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7 - Contact et 1er niveau de Metallisation
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Depôt d’oxyde PMD (Pre Metal Dielectric)
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-Polissage Mecano-chimique (CMP)
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-Photo contact et gravure contact
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Depôt barriere TiN Depôt W
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-CMP W
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-Depot dielectrique (SiOC) -Photo Ligne 1 -Gravure 1 - Strip Resine Dépôt Cuivre
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-CMP Cuivre
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Tranche de silicium
Une tranche est une coupe fine, généralement ronde, de matériau semi conducteur qui constitue le premier élément de production pour la fabrication des semi-conducteurs.
Une puce , c’est un circuit intégré unique ou un dispositif autonome sur une tranche de semi-conducteur.
Tranche puce Méplat Chemin de découpe
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