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La contamination particulaire, métallique et moléculaire en microélectronique

Introduction

L'industrie microélectronique, forte de près de cinquante années d'existence, peut être considérée aujourd'hui comme une industrie mature, dont on peut apprécier l'évolution et analyser les progressions. En l'occurrence, la conduite d'un exercice de cette nature permet d'observer que le développement de cette industrie a continûment été accompagné par la prise en compte d'un sujet secondaire, eu égard aux objectifs propres de la microélectronique, mais néanmoins indispensable et incontournable : la contamination. En effet la contamination est à l'origine de nombreux phénomènes affectant l'industrie microélectronique dans ses différents secteurs.

Ces phénomènes peuvent avoir des impacts économiques directs très importants pour les sites industriels fabriquant ces dispositifs (des événements de contamination sont régulièrement à l'origine de la paralysie entière de lignes de production). Mais le poids économique de cette problématique dépasse le seul niveau de la fabrication ; il est à considérer de manière beaucoup plus large eu égard au très grand nombre d'acteurs et de sous-ensembles que cette industrie met en action (conception et réalisation de salles propres, fabrication des équipements, approvisionnement en fluides, produits chimiques, tenues…) et les flux financiers dont l'ensemble de ce secteur est générateur(1).

Ces impacts font qu'aujourd'hui, la contamination est un élément à part entière de la fabrication d'un dispositif microélectronique, pris en compte dès la conception d'un nouveau dispositif comme dans celle d'un nouveau centre de production.

Les différentes formes de contamination

Qu'appelle-t-on aujourd'hui “contamination” en micro-électronique ? “Tout élément allogène susceptible de dégrader un dispositif microélectronique” est la réponse naturelle que l'on entendra fréquemment dans cette communauté. Cette réponse, qui pourrait s'apparenter à une boutade, correspond cependant à la réalité de l'ampleur du domaine auquel doit être associé ce terme. Plus en détail, la contamination revêt en effet une étendue très variée d'espèces chimiques isolées (molécules, ions…) ou agrégées (films, particules…) dont les propriétés, considérées au sens très large (géométrique, chimique, électrique…), vont affecter le dispositif microélectronique, dans sa fonctionnalité mais également dans le processus de son élaboration. Ces espèces sont regroupées dans trois grandes catégories, les contaminations particulaire, métallique et moléculaire, familles élaborées progressivement au fur et à mesure de la découverte de leurs effets.

Comme l'indique dans une vision un peu simpliste des évolutions technologiques le tableau 1, c'est initialement la contamination particulaire dont il a fallu se prémunir pour la réalisation des premières générations de circuits intégrés. A compter des années 1980, la prise en compte de la dimension “chimique” de la contamination s'est fait jour par l'identification de l'impact de la contamination métallique sur les propriétés électriques conductrices du silicium. Enfin, depuis le milieu des années quatre-vingt-dix, il a été nécessaire de considérer une forme de contamination encore plus difficile d'approche, la contamination moléculaire, disséminée par voie gazeuse, aux effets variés et souvent inattendus.

Tableau 1 : Evolution historique de la prise en compte de la contamination dans l'industrie microélectronique, en relation avec l'évolution des technologies
Période	Qualité de la production de l'industrie microélectronique	Contamination	Seuils caractéristiques moyens
Années 60 et 70	Premières productions industrielles Technologie bipolaire Environ 1x103 transistors / puce	particules	100 µm / cl. ISO6
Années 80	Plaques 100 mm Technologies CMOS - node(2) < 5 µm Environ 1x105 transistors / puce	particules + métaux	5 µm / cl. ISO5 1012 at / cm²
Années 90	Plaques de 200 mm node < 1 µm Environ 1x107 transistors / puce	particules + métaux + molécules	0,2 µm / cl. ISO4 1010 at / cm² 1014 atC / cm² 10 à 100 ppbv(3)
Années 2000	Plaques de 300 mm node < 0,1 µm Environ 1x109 transistors / puce	particules + métaux + molécules	0,05 µm / cl. ISO3 109 at / cm² 1012 atC / cm² 0,1 à 10 ppbv

Le moteur principal de l'évolution de la “morphologie” des contaminants à prendre en compte pour assurer une production à haut rendement des composants, a été l'augmentation ininterrompue de la densité d'intégration des puces électroniques. Cette course effrénée vers “davantage de composants et de fonctionnalités sur moins d'espace” se traduit par une miniaturisation constante des dispositifs, synonyme de réduction des épaisseurs de couches jusqu'à atteindre, parfois, l'équivalent de quelques couches atomiques. On conçoit dès lors, qu'à de tels niveaux de miniaturisation, ces couches puissent présenter des sensibilités accrues à la présence d'éléments étrangers même de faible dimension ou en faible concentration.

L'établissement des seuils réellement acceptables sur les wafers, dans les environnements de production ou dans les matières premières…, est très difficile à réaliser avec précision. Ce sont des fonctions des générations technologiques, des densités d'intégration… En outre, la prise en compte souvent empirique de ces phénomènes, c'est-à-dire à partir d'un problème de fabrication sur un site industriel particulier, ne facilite pas la construction de bases de données représentatives et communautaires. Aussi la profession s'accorde autour des valeurs proposées par l'organisme “International Technology Roadmap for Semiconductors” (ITRS) (4) qui s'est efforcé de rassembler et condenser les connaissances d'experts internationaux universitaires et industriels.