CIRCUITS INTÉGRÉS

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

Procédé de fabrication des circuits CMOS

La conception d'un circuit CMOS consiste à placer, sur un substrat plan de silicium faiblement dopé, des transistors nMOS et pMOS interconnectés par des fils métalliques. Les transistors MOS peuvent être utilisés pour réaliser des fonctions analogiques ou numériques selon qu'ils fonctionnent en mode linéaire ou saturé (cf. transistors et thyristors). Toutefois, ces deux modes de fonctionnement ne modifient pas le principe des procédés de fabrication. Les transistors et les liaisons métalliques sont fabriqués dans les salles blanches par couches successives grâce à des méthodes de photolithographie. Le nombre de couches superposées augmente avec l'amélioration des techniques de gravure.

La durée de fabrication et les rendements dépendent de la complexité de la technologie : il faut plusieurs semaines pour produire un circuit intégré, chaque étape prenant plusieurs heures. Afin d'obtenir le plus grand débit de production possible (nombre de circuits sortant de la chaîne par unité de temps), deux techniques sont mises en œuvre. La première consiste à réaliser un grand nombre de fois le même circuit sur une galette de silicium. La seconde est de profiter du fait que la fabrication d'un circuit est une séquence de quelques dizaines d'opérations (ou étapes) indépendantes : la chaîne de fabrication est organisée comme une chaîne de montage de voitures, c'est-à-dire qu'à tout instant elle contient un circuit en cours de fabrication à chaque étape. Ainsi, le débit de la ligne dépend de la durée de l'opération la plus longue et non du nombre d'opérations. En bout de ligne de production, un test de fabrication permet d'éliminer les circuits défectueux. Les autres sont à nouveau triés en fonction de leur vitesse de fonctionnement (mesurée en nombre d'instructions exécutées par seconde), des différences subtiles de dopage pouvant aller jusqu'à doubler la vitesse du circuit. Le rapport entre le nombre de circuits fonctionnels et le nombre de circuits produits définit le rendement (yield) de la technologie. Celui-ci peut varier de 10 à 90 p. 100. C'est l'un des secrets les mieux gardés des fabricants. Aussi, tous les acteurs cherchent-ils à l'augmenter car les bénéfices d'une ligne de production en dépendent directement.

Le substrat

Le substrat des circuits intégrés CMOS – c'est-à-dire la base sur laquelle ils sont construits – est en silicium. Cet élément est abondant à la surface de la Terre sous forme de sable (silice et silicates). Pour pouvoir être utilisable dans ce secteur de l'industrie, il doit être parfaitement purifié et mis sous forme de galette monocristalline. Cette dernière représente en fait un cristal de silicium homogène ayant une orientation atomique parfaitement définie. Son diamètre actuel varie de 200 à 400 mm et son épaisseur est d'environ 0,5 mm. Ces galettes sont obtenues en découpant des barres de silicium pur, d'une longueur de 30 cm à 1 m. Chaque galette permet de réaliser en parallèle un grand nombre de circuits intégrés, généralement identiques, organisés en matrice.

Avant d'être mis sous forme de barre, le silicium est tout d'abord liquéfié dans un creuset puis purifié jusqu'à atteindre le taux d'une impureté pour 10 milliards d'atomes. Ensuite, tout en le maintenant à la température de 1 425 0C (juste supérieure à son point de fusion qui est de 1 380 0C), on présente à sa surface un morceau de silicium monocristallin. Ce germe, suspendu à une barre tractable, affleure la surface en tournant lentement (un tour par seconde). Les atomes de silicium du creuset vont alors s'accrocher à ce germe et se solidifier en reproduisant parfaitement la structure du cristal. Le germe et le cristal en formation sont alors lentement soulevés (tirés), formant ainsi une « carotte » de silicium qui croît à raison de quelques centimètres par heure. Pendant la procédure de tirage, le substrat est dopé par des atomes dopants (le plus souvent du bore). Les carottes sont ensuite débitées en galettes grâce à des scies diamantées. Une marque est réalisée pour indiquer clairement l'orientation du cristal. Enfin, les galettes sont polies mécaniquement et chimiquement (phase dite CMP, chemical mechanical polishing).

L'oxyde de silicium

La facilité avec laquelle il est possible de contrôler son oxydation est une propriété très intéressante du silicium. L'oxyde de silicium (SiO2, couramment appelé quartz) possède des propriétés remarquables : c'est un très bon isolant électrique (fig. 11) et une barrière infranchissable pour la majorité des dopants. Il adhère à la plupart des matériaux utilisés pour l'élaboration des circuits intégrés, en particulier l'aluminium. Il peut être facilement gravé grâce à de l'acide fluorhydrique, et aisément planarisé (rendu plan) par des méthodes chimiques et mécaniques. Pour toutes ces raisons, l'oxyde de silicium est utilisé à tous les niveaux de la production : réalisation des grilles des transistors, isolation électrique des transistors entre eux ou des transistors vis-à-vis des couches de métal ou encore des couches entre elles. L'oxyde de silicium peut être obtenu de deux manières différentes : soit en faisant circuler – à la surface du silicium – un flux d'oxygène (Si + O2→SiO2) ou de vapeur d'eau (Si + H2O→SiO2 + 2H2), à une température d'environ 1 000 0C (on qualifie cet oxyde de natif), soit en créant une réaction chimique entre des gaz (silane + oxygène : SiH4 + 2O2→SiO2 + 2H2O). L'épaisseur de l'oxyde ainsi obtenue peut être de quelques nanomètres seulement (c'est-à-dire l'épaisseur de quelques atomes) ; elle est très uniforme et varie seulement de quelques pour-cent sur toute la surface de la galette.

Circuits intégrés : transistor N

Dessin : Circuits intégrés : transistor N

En a, vue en coupe d'un transistor N. On remarque les zones d'oxyde qui isolent la grille du substrat, le métal du silicium et qui séparent les transistors entre eux. En b, le même transistor vu de dessus. C'est ainsi que le dessine le concepteur, en superposant des rectangles de couleurs,... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

La photolithographie

Le procédé photolithographique est utilisé à chaque étape pour créer chacune des couches du circuit. Il consiste à reproduire un dessin (masque) sur le substrat, en projetant l'ombre de celui-ci (éclairé par des ultraviolets à très faible longueur d'onde) sur le substrat préalablement recouvert d'une résine photosensible. La résine peut être positive ou négative. Elle est positive si les parties protégées de la lumière sont durcies, sinon elle est négative. Après élimination de la résine non durcie, le dessin à reproduire apparaît en résine durcie sur la galette (fig. 12). Enfin, les zones non protégées par la résine peuvent être attaquées pour être éliminées ou pour être dopées. Cette séquence lithographique est utilisée pour chaque couche, et même parfois plusieurs fois par couche (plus d'une vingtaine de fois sur l'ensemble des étapes pour les technologies modernes).

Circuits intégrés : séquence photolithographique à résine positive

Dessin : Circuits intégrés : séquence photolithographique à résine positive

Diffusion de la résine sur toute la galette(a) ; sensibilisation aux UV à travers un masque posé sur la résine photosensible : les parties protégées de la lumière sont durcies, les autres (résine ayant subit le rayonnement UV) sont fragilisées (b) ; élimination des parties non durcies... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

Principe de dopage du substrat

La réalisation des transistors MOS nécessite la création dans le substrat de zones dopées qui sont obtenues en diffusant localement des atomes dopants (donneurs et accepteurs d'électrons). La procédure est la suivante (fig. 13) :

Circuits intégrés : étapes de dopage du substrat P, réalisation d'un caisson N

Dessin : Circuits intégrés : étapes de dopage du substrat P, réalisation d'un caisson N

1 : substrat P ; 2 : dépôt d'une couche d'oxyde sur le substrat P ; 3 : dépôt d'une couche de résine sur l'oxyde fin ; 4 : insolation des zones à doper à travers un masque posé sur la résine ; 5 : retrait de la résine sensibilisée et de l'oxyde sous la résine insolée ; 6 : dopage N... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

On recouvre d'abord le substrat d'une mince couche d'oxyde de silicium qui a pour rôle de protéger la surface du silicium lors du dopage. On sélectionne ensuite les zones [...]

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 14 pages


Médias de l’article

Circuits intégrés : transistor CMOS

Circuits intégrés : transistor CMOS
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Circuits intégrés : silicium de type N et P

Circuits intégrés : silicium de type N et P
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Circuits intégrés : la diode et son comportement électrique

Circuits intégrés : la diode et son comportement électrique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Circuits intégrés : création d'un canal conducteur entre deux zones N

Circuits intégrés : création d'un canal conducteur entre deux zones N
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 20 médias de l'article


Écrit par :

  • : docteur en informatique, maître de conférence à l'université Pierre et Marie Curie
  • : maître de conférences en informatique au LIP6 (laboratoire d'informatique de l'université Paris-6)

Classification

Autres références

«  CIRCUITS INTÉGRÉS  » est également traité dans :

PREMIERS BREVETS DE CIRCUITS INTÉGRÉS

  • Écrit par 
  • Pierre MOUNIER-KUHN
  •  • 289 mots

À partir du milieu des années 1950, les semiconducteurs (diodes et transistors) sont venus progressivement remplacer les tubes électroniques. De plus faible dimension, ils sont très supérieurs en termes de rendement énergétique, de longévité, de fiabilité (problème crucial dans un ordinateur) et aussi de potentiel économique, puisque l'automatisation […] Lire la suite

AUTOMATISATION

  • Écrit par 
  • Jean VAN DEN BROEK D'OBRENAN
  •  • 11 887 mots
  •  • 12 médias

Dans le chapitre « Information et variables d'état »  : […] Avant de classifier les composants des systèmes automatiques, il y a lieu d'examiner de quelle façon les grandeurs et les événements intervenant dans l'automatisation sont traduits en grandeurs de substitution que le système puisse traiter. L'information concernant soit la commande du système, soit les variables d'état, peut revêtir deux formes, numérique ou analogique. – Dans la forme numérique , […] Lire la suite

COMMERCIALISATION DU PREMIER MICROPROCESSEUR

  • Écrit par 
  • Joseph BOREL, 
  • Bruno JACOMY
  •  • 465 mots
  •  • 1 média

À la fin des années 1960, Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff), un jeune ingénieur de la société américaine Intel (Integrated Electronics), propose le concept du microcalculateur (le terme microprocesseur apparaissant plus tardivement) pour répondre à une commande de la société japonaise Busicom, spécialisée dans la fabrication de calculatrices programmables. Ce circuit monolithique comprend une uni […] Lire la suite

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIE

  • Écrit par 
  • Michel-Henri CARPENTIER
  •  • 14 324 mots
  •  • 8 médias

Dans le chapitre «  Éléments d'une perspective »  : […] L'évolution de l'électronique depuis la fin des années 1950 s'est dessinée au travers de ce qui précède. La caractéristique essentielle de cette évolution réside dans le rôle de la technologie. En schématisant, on peut dire que l'informatique serait restée une petite industrie si le transistor planar n'avait pas été inventé, même s'il est vrai que l'essentiel des machines informatiques utilisent l […] Lire la suite

KILBY JACK ST. CLAIR (1923-2005)

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 344 mots

Physicien américain, Prix Nobel de physique en 2000 pour ses contributions aux technologies de l'information et de la communication. Né le 8 novembre 1923 à Jefferson City dans le Missouri (États-Unis), Jack St. Clair Kilby a fait ses études à l'université d'Illinois et à celle du Wisconsin où il a obtenu sa maîtrise en génie électrique en 1950. Après avoir travaillé pour l'entreprise d'électroni […] Lire la suite

MÉMOIRES NUMÉRIQUES

  • Écrit par 
  • François PÊCHEUX
  •  • 7 445 mots
  •  • 10 médias

Dans le chapitre « La mémoire principale »  : […] Suivant le schéma de hiérarchie mémoire, sous les mémoires caches se trouve la mémoire principale. Quand les mémoires caches ne contiennent pas l'information demandée par le processeur, il est nécessaire de consulter la mémoire principale. Le contraste de taille avec les registres et les mémoires caches est saisissant, puisque la capacité de stockage de la mémoire principale s'exprime non plus en […] Lire la suite

MICROÉLECTRONIQUE

  • Écrit par 
  • Claude WEISBUCH
  •  • 13 684 mots
  •  • 23 médias

Dans le chapitre « La fabrication des circuits intégrés »  : […] Ces quatre facteurs, qui ont permis l'essor de la microélectronique, se sont développés grâce à l'utilisation de méthodes de production hautement parallélisées (s'apparentant beaucoup à l'imprimerie) et dont la reproductibilité fait l'objet d'efforts incessants. L'idée est de fabriquer en une seule opération technologique tous les éléments de même nature sur la puce, en fait sur toute une plaquet […] Lire la suite

MICRO-INFORMATIQUE - (repères chronologiques)

  • Écrit par 
  • Pierre MOUNIER-KUHN
  •  • 674 mots

1962 I.B.M. (International Business Machines Corporation) met au point le système SABREC Semi-Automatic Business Research Environment) de réservation des places d'avion, première application transactionnelle commerciale, d'un type aujourd'hui généralisé sur tous les ordinateurs. 1963 Au Stanford Research Institute, l'Américain Douglas C. Engelbart fonde un groupe de recherche sur les interaction […] Lire la suite

MICROSCOPIE

  • Écrit par 
  • Christian COLLIEX, 
  • Jean DAVOUST, 
  • Étienne DELAIN, 
  • Pierre FLEURY, 
  • Georges NOMARSKI, 
  • Frank SALVAN, 
  • Jean-Paul THIÉRY
  •  • 19 723 mots
  •  • 15 médias

Dans le chapitre « Applications »  : […] Le microscope confocal permet de réaliser des coupes optiques verticales ou obliques, ce qui bouleverse les traditions et permet d'observer des échantillons beaucoup plus épais qu'auparavant. Les applications biomédicales sont nombreuses : étude de la morphogenèse de tissus ou d'embryons ou de la localisation de gènes multiples sur des fragments de chromosomes par hybridation in situ et étude im […] Lire la suite

MICROSYSTÈMES, technologie

  • Écrit par 
  • Daniel HAUDEN
  •  • 3 754 mots
  •  • 11 médias

Dans le chapitre « Augmentation du couple mécanique et de la puissance dans les micromécanismes »  : […] L'augmentation du couple et de la puissance mécanique est obtenue soit par l'accroissement de la force électrostatique, soit par l'usage de matériaux d'actionnement provoquant une force mécanique importante ou une déformation de grande amplitude. Le couple et la puissance mécanique, donc la force électrostatique, sont proportionnels à la surface active des électrodes. Cette surface peut être accru […] Lire la suite

Voir aussi

Les derniers événements

31 juillet 1986 États-Unis – Japon. Accord sur les circuits intégrés

Washington obtient la signature par Tõkyõ d'un accord pour protéger son industrie des circuits intégrés, c'est-à-dire les « puces » des ordinateurs, et de tous les matériels électroniques. Cet accord est qualifié d'« historique » par le président Reagan, à la fois parce qu'il préserve les intérêts américains dans un domaine stratégique d'avenir, mais aussi parce qu'il permet de satisfaire les lobbies protectionnistes, de plus en plus puissants aux États-Unis alors que le déficit du commerce extérieur a atteint, pour le premier semestre de 1986, le record absolu de 83,9 milliards de dollars. […] Lire la suite

Pour citer l’article

Frédéric PÉTROT, Franck WAJSBÜRT, « CIRCUITS INTÉGRÉS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 09 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/circuits-integres/