CIRCUITS INTÉGRÉS

Technologie des circuits intégrés

Les circuits intégrés sont construits par empilement de couches extrêmement fines, de l'ordre d'une dizaine de nanomètres (1 nm = 10^—9 m), de matériaux semi-conducteurs (essentiellement du silicium), en alternance avec des couches d'isolant (oxyde de silicium) et de métaux conducteurs (aluminium ou cuivre). Un procédé de fabrication de circuits intégrés est généralement caractérisé par la longueur du canal du plus petit transistor pouvant être fabriqué, c'est-à-dire par la distance que doit parcourir un électron pour passer d'une borne à l'autre du plus petit des transistors de la puce (cf. transistors et thyristors). Cette dimension est représentative du degré d'intégration et des performances possibles qu'offre le procédé. Les procédés industriels actuels permettent de dessiner des transistors dont le canal est d'un dixième de micromètre (1 μm = 10^—6 m). Réaliser des circuits avec un tel niveau de précision demande un environnement de production mille fois plus propre, en nombre de poussières par mètre cube, que les salles d'opérations chirurgicales les plus propres.

Pour l'élaboration de tels circuits, les procédés de fabrication industriels adoptent des techniques de photolithographie. Le circuit à réaliser est fourni sous forme de masques (sortes de pochoirs) que l'on pose sur un matériau photosensible. Il faut concevoir autant de masques qu'il y a de couches dans un circuit intégré. Le matériau ainsi masqué est exposé à un rayonnement ultraviolet (le matériau est dit insolé), généralement émis par une lampe au mercure. Ensuite, on abrase chimiquement les parties non insolées afin d'obtenir l'empreinte du masque. Cette opération est répétée pour chaque couche du circuit. Dans les technologies les plus modernes, on peut trouver une vingtaine de couches (cf. chap. 7, Procédé de fabrication des circuits CMOS, Photolithographie).

La technologie n'est pas seulement définie par les procédés de fabrication, d'autres facteurs entrent en jeu : les matériaux utilisés (silicium, arséniure de gallium ou AsGa, SOI [Silicium sur isolant]...), le type de transistor (bipolaire, MOS...), la tension d'alimentation (5 V à 1,2 V), le degré d'intégration, le domaine d'application (circuit analogique ou numérique), le type de circuiterie (circuits de calculs, mémoires), la performance (vitesse, puissance consommée, robustesse)... Comparer deux technologies entre elles n'est donc pas facile, mais l'une des caractéristiques les plus importantes est la finesse de gravure. En effet, celle-ci influence directement le niveau d'intégration et les performances. C'est pourquoi on a coutume de résumer une technologie par le type de transistor et par la taille du canal du plus petit transistor réalisable. On parlera, par exemple, de technologie CMOS 0,12 μm.

La technologie CMOS (complementary metal oxide semiconductor) est celle qui permet le plus haut degré d'intégration (cf. tableau). Elle est utilisée pour les processeurs, les mémoires d'ordinateurs personnels et, plus généralement, pour toute l'informatique grand public. D'un point de vue théorique, ce n'est pas la plus performante en termes de vitesse de fonctionnement, mais c'est la plus simple à produire et c'est celle qui consomme le moins d'énergie (cf. chap. 7, Procédés de fabrication des circuits CMOS).

Les techniques de gravure de silicium mises au point pour réaliser des composants électroniques se sont considérablement développées depuis la fin des années 1980. Il est maintenant possible de graver très profondément le silicium avec une précision de l'ordre de la dizaine de nanomètre, et de créer des objets en trois dimensions sur ce substrat. Cette évolution a mené à l'apparition d'une nouvelle[...]