MICROÉLECTRONIQUE

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 plaquette de silicium (disque de diamètre normalisé de 8 ou 12 pouces, soit 20 ou 30 cm, qui sera découpé ultérieurement en plus de 100 puces), voire pour certaines opérations, sur un ensemble de plaquettes (jusqu'à 25). Le report des motifs géométriques représentant les différents éléments des circuits intégrés se fait par une méthode lithographique où l'image désirée, préalablement dessinée sur un masque par des parties opaques et transparentes, est projetée par illumination sur un matériau photosensible déposé sur la plaquette de silicium (fig. 4). L'attaque chimique du matériau photosensible exposé permet ensuite le transfert du motif sur le matériau situé sous la résine photosensible. C'est ainsi que sont réalisés les réseaux de fils conducteurs d'interconnexion entre les différents éléments d'un circuit intégré, en découpant un film métallique préalablement déposé. Bien sûr, cette description est très simplifiée : il faut prévoir l'isolation électrique entre les fils métalliques et les composants semiconducteurs, qui est effectuée en déposant des matériaux isolants (souvent de l'oxyde de silicium ou silice, SiO₂) entre le semiconducteur et le film métallique à découper. Mais, cela ne suffit pas car il se produirait des croisements entre les fils. Des couches successives d'isolants et de conducteurs métalliques sont alors déposées de manière à ce que les différentes interconnexions métalliques nécessaires à la fonctionnalité ne se court-circuitent pas (fig. 5).

Microélectronique : méthode de fabrication des composants

Principe de fabrication des différents éléments d'un circuit intégré. Que ce soit un transistor (a), une résistance (b) ou un condensateur (c), ces composants sont constitués de silicium dopé (impuretés « donneuses » d'électrons ou silicium dopé n ; impuretés « acceptrices »... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

Circuit intégré : interconnexions métalliques

Schéma des interconnexions métalliques d'un circuit intégré vers 2005. Établies sur onze niveaux de fils conducteurs à partir de 2005, celles-ci doivent permettre d'obtenir une fonctionnalité maximale. Ces liaisons sont hiérarchisées : au fur et à mesure qu'elles sont distantes du... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

L'incorporation contrôlée, dans la plaquette de silicium, de quantités minimes d'impuretés chimiques est essentielle pour le bon fonctionnement du transistor. Elle a pour but de créer les barrières de potentiel qui empêchent le libre mouvement des électrons dans le canal conducteur (fig. 1b et 1c). Cette opération, appelée dopage, a longtemps été effectuée en plaçant les plaquettes de silicium, portées à haute température, dans une atmosphère gazeuse contenant les atomes d'impuretés à incorporer dans le cristal. Grâce à l'agitation thermique, ceux-ci diffusent alors à l'intérieur du cristal de silicium, dans des régions définies par un « masque » en silice empêchant les impuretés d'atteindre la surface du semiconducteur (fig. 4). Pour obtenir une meilleure résolution spatiale dans les opérations de dopage critiques, des accélérateurs de particules, appelés implanteurs ioniques, permettent de bombarder localement des ions d'impuretés sur les zones à doper (définies, là encore, par des masques).

Parmi les autres étapes de fabrication des circuits intégrés, il faut mentionner le dépôt des différentes couches de matériaux, la gravure des motifs par attaques chimiques sélectives. Toutes ces opérations sont d'une grande précision et s'effectuent, dans de nombreux cas, à l'échelle de l'atome.

Deux chiffres donnent une idée du « parallélisme » de fabrication obtenu : si l'on effectue, grâce à un dépôt de film métallique, les trois contacts conducteurs aux trois électrodes des transistors (soit environ neuf soudures) d'un ensemble de 25 plaquettes portant chacune 100 puces de 256 mégabits (chaque puce comprenant environ 300 millions de transistors), on fabrique en une seule fois quelque 6 750 milliards de soudures (9 × 100 × 25 × 300 millions). Ce film conducteur, déposé sur chaque plaquette de silicium, est ensuite découpé pour obtenir les milliards de fils conducteurs par plaquette entre les composants permettant la fonctionnalité de l'ensemble. On imagine bien la « forêt » que représenteraient tous ces fils s'ils étaient soudés un à un par des techniques conventionnelles, ainsi que les risques de défaut.

Le succès de l'aventure que représente la fabrication simultanée de telles quantités de composants repose sur le fait que tous les éléments sont élaborés dans des conditions physico-chimiques parfaitement définies et reproductibles. Les propriétés de surface des matériaux sont contrôlées, les dépôts de matière se font avec une précision le plus souvent de l'ordre de la couche atomique, les structures sont analysées en détails, à l'atome près. L'ensemble des opérations de fabrication est d'une grande complexité : il y a typiquement 25 masques différents pour réaliser les motifs nécessaires, ce qui correspond à environ 800 opérations technologiques élémentaires. Afin d'éviter les défauts liés à un environnement mal contrôlé, en particulier l'impact des poussières sur les motifs définis en lithographie (fig. 6), les différentes étapes de fabrication sont effectuées en salles blanches ou l'environnement et la propreté sont normalisées et maîtrisées. Les salles blanches les plus récentes sont de « classes » 1 ou 0,1, c'est-à-dire qu'elles contiennent, respectivement, moins d'une poussière ou d'un dixième de poussière par pied cube (soit, respectivement, 30 ou 3 poussières par mètre cube, au maximum).

Lithographie optique

Étapes du procédé de lithographie optique. On irradie par de la lumière une résine photosensible aux endroits désirés en faisant l'image d'un support transparent, sauf aux endroits que l'on désire masquer à la lumière. On utilise ensuite des produits chimiques différents qui... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

Salle blanche

Dans l'industrie informatique, les disques durs sont réalisés en salle blanche afin de protéger les composants électroniques des contaminations par l'atmosphère. 

Crédits : Mitch Kezar, Getty Images

Afficher

1  2  3  4  5 …
pour nos abonnés,
l’article se compose de 21 pages

Médias de l’article

Microélectronique : transistor à effet de champ.
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Microélectronique : connectique
Crédits : IBM

photographie

Microprocesseur : le Pentium. 4
Crédits : Intel .

photographie

Microprocesseur
Crédits : Pedrosala/ Shutterstock

photographie

Afficher les 23 médias de l'article