STMicroelectronics, site de Crolles
Conception et fabrication de semi-conducteurs

Présentation du site et de l'activité

Le site STMicroelectronics de Crolles est implanté dans la vallée du Grésivaudan située entre Grenoble et Chambéry, sur la zone industrielle de la ville de Crolles.

Les activités du site de Crolles sont la R&D, le développement des procédés et la production de produits utilisant les technologies microélectroniques les plus avancées mondialement, notamment les technologies CMOS et leurs options, dont les dimensions critiques minimales atteignent 32 nanomètres et vont au delà, ce qui permettra d'intégrer ces produits dans les équipements du futur.

Les salles blanches sont équipées de systèmes de traitement d'air très performants dont les paramètres flux, température, hygrométrie, niveau de contamination particulaire et moléculaire sont ajustés par le design des systèmes de filtration aux besoins des technologies submicroniques.

Des zones techniques très importantes, attenantes aux salles blanches, assurent la gestion des fluides nécessaires aux process, et aux équipements, dans les conditions du respect de  la sécurité et de l'environnement.

Besoins et contraintes en matière d'ultra-propreté

Contraintes technologiques - Les plaquettes silicium (wafers)

La miniaturisation des dimensions au-delà des 32 nm, la giga complexité des produits avancés ont conduit les fabricants, pour ne pas obtenir de rendements très faible, à confiner leur fabrication dans des salles blanches, à utiliser des mini-environnements.et mettre en place les conditions de leur gestion efficace, à savoir, une organisation, des moyens de contrôle, des procédures, et un personnel qualifié

Les meilleurs rendements sont atteints lorsque les procédés sont optimisés, ils incluent dans les étapes de fabrication de nombreuses tâches d'élimination des contaminants, résidus, particules et condensats présents sur les plaquettes. A cette fin, les techniques de dissolution, d'oxydation, de gravure chimique et de brossage sous jets de fluides ou par ondes ultrasoniques, sont utilisées pour vaincre les forces d'adhésion des contaminants. D'autre part, pour réduire les agglomérats métalliques liés chimiquement au substrat de silicium, la dissolution par action des acides est utilisée. Les résidus organiques adsorbés sont aussi éliminés par oxydation aux acides ou à l'ozone, ou par dégazage sous vide et plasma. L'ensemble de ces opérations sont réalisées dans des machines de très hautes technicités utilisant les matériaux les plus avancés

Autres contraintes spécifiques - Les contaminants

Afin de limiter les effets des contaminations externes, le design de la salle blanche et des installations de traitement d'air prend en compte l'exposition aux vents, notamment pour l'orientation des prises d'air neuf en relation à la proximité de sources externes d'émissions, par exemple la circulation automobile.

Les traitements d'air des salles blanches et des minienvironments de par leur design assurent la filtration particulaire par filtres HEPA et si nécessaire la filtration moléculaire par charbon actif,  pour obtenir de l'air avec le niveau de pureté ajusté au besoin des technologies.

La maintenance préventive est organisée pour prévenir la baisse d'efficacité des pré-filtres induite par leur colmatage Les méthodes de maintenance et le design des équipements sont étudiés pour limiter les émissions dans l'environnement interne de la salle blanche. Des tests périodiques permettent de suivre la qualité de l'air, de détecter les contaminants pour ensuite éliminer les sources.

Procédé de fabrication et ses étapes critiques

Les opérations réalisées sur les plaquettes de silicium pour fabriquer les produits sont en nombre et en nature très importantes; elles permettent de garantir les performances, la qualité, la fiabilité et les rendements.

Les principaux procédés de la fabrication des produits sont :

• les dépôts de matériaux, en couches minces d'oxydes, de nitrures, de métaux, électriquement actifs ou isolants, pour ajuster les paramètres électriques des produits
• les photogravures définissent les dimensions critiques et permettent d'éliminer sélectivement les matériaux déposés couche par couche définissant ainsi la géométrie des composants
• les implantations ioniques qui permettent l'introduction d'ions de matériaux électriquement actifs dans le silicium, afin d'ajuster les paramètres électriques des produits;
• les traitements thermiques stabilisent le réseau cristallin du silicium et éliminent les perturbations générées par les procédés, notamment la stœchiométrie des couches déposées
• les fréquents nettoyages ajustés à la nature des couches éliminent les particules et les résidus, par immersions, sprays de produits chimiques ou plasmas spécifiques

La métrologie a fortement évoluée, les dimensions des circuits, les épaisseurs des couches  sont devenues si fines que seuls les équipements les plus sophistiqués et très couteux en permettent la mesure.

Afin de mesurer la défectivité due aux contaminants, émis par les chambres des procédés, des équipements très performants sont utilisés, à savoir analyseurs TXRF, SEM, TOF SIMS…, capables de mesurer la contamination particulaire et moléculaire.

Les étapes critiques des procédés sont ciblées, pour en effectuer les études de risques, établir les catalogues de défauts, effectuer des tests statistiques, et appliquer d'autres méthodes d'investigations.

Impact des contaminants (cf. tableau 1)

Les particules sur les plaquettes sont particulièrement impactantes dans les procédés de photolithographie, lorsqu'elles masquent l'insolation par ultra-violet ou perturbent la gravure lors de l'exposition au flux de plasma.

Les matériaux constituant les particules et les contaminants moléculaires diffusent dans le silicium, ayant pour conséquence la déviation les paramètres électriques nécessaires au bon fonctionnement des produits.

D'autres contaminants, particulièrement les amines ont une action qui durci superficiellement les résines provoquant ainsi la perte des dimensions critiques.

La contamination moléculaire acide  même à faible concentrations, risque de corroder les interconnexions métalliques, ou de provoquer les transferts chimiques conduisant à la création de défauts cristallins.

D'autres processus de contaminations complexes provoquent la détérioration du réseau cristallin conduisant localement à la perte des paramètres électriques de référence du silicium.

L'origine des sources et les transferts de la contamination

Les origines externes à la salle blanche sont essentiellement...