Principes de fabrication des circuits intégrés

par Jean-Luc Dormoy

Les circuits intégrés sont supérieurs aux circuits dits discrets. On appelle circuits discrets les circuits résultats de l’intégration manuelle ou machinique des composants électroniques sur une carte. Leur fabrication comporte une étape de soudure des composants à des milliers de fils, qui est longue et coûteuse, alors que ces soudures sont une cause de manque de fiabilité.

Structure d'un chip Cmos

Structure d’un chip Cmos

Au contraire, les circuits intégrés sont fabriqués par le procédé de photolithographie, qui « imprime » sur la puce en parallèle les milliers de composants ainsi que leurs connexions électriques. On substitue donc un procédé massivement parallèle à un procédé séquentiel, avec pour conséquence une baisse de coût et une amélioration de la fiabilité considérables – y compris un abaissement du taux de défauts à la fabrication.

En outre, la photolithographie va s’avérer passer à l’échelle de l’augmentation du nombre de composants par puce, ce qui fournit le support de la loi de Moore du côté de la production.

On a donc rupture par amélioration simultanée du coût et de la performance.

Le principe de la photolithographie est de graver un motif sur la surface de la future puce. En fait, on ne travaille pas dans les procédés modernes puce par puce, mais sur toute une tranche de silicium, appelée wafer, que l’on va « couvrir » de milliers de puces en général toutes semblables. Chaque future puce est alors appelée en anglais un die. On découpera cette tranche en autant de puces à la fin du traitement, et on les empaquètera de façon à les rendre intégrables facilement sur des cartes électroniques. Les tranches les plus grandes utilisées aujourd’hui font 300 mm de diamètre. Plus le wafer est grand, plus on réalise de dies d’un coup, réduisant ainsi les coûts de fabrication.

Smart Cut process principle

Smart Cut process principle

La première étape consiste à déposer une résine, qui va réagir à la lumière pour rendre les parties irradiées solubles à une solution adaptée[1]. Par ailleurs on réalise un masque, véritable pochoir, qui donne en positif ou en négatif le motif que l’on souhaite graver. Le masque est placé au-dessus de la tranche, et on irradie la surface par une lumière d’une longueur d’onde adaptée. La longueur d’onde est en effet importante lorsque les motifs sont très petits, car il faut des « photons plus petits » que les motifs qu’ils doivent contribuer à dessiner ! On utilise les extrêmes UV dans les procédés les plus récents.

Une fois cette exposition réalisée, on enlève les parties de la résine rendues solubles par l’insolation en plongeant la tranche de silicium dans un bain ad hoc. On est de cette façon parvenu à imprimer une couche de résine ayant la forme du masque définissant le motif en positif ou en négatif.

Le plus souvent, le procédé suivant relève de la gravure, où on plonge la tranche dans un autre bain, souvent acide, enlevant de la matière du substrat là où il n’y a pas de résine. Le plongement dans un troisième bain éliminant la résine laisse donc la tranche avec les motifs du masque gravés dans sa masse ou sur la couche présente en surface.

Cela, c’est le principe d’une opération. En réalité ce procédé est utilisé plusieurs fois successivement sur une même tranche, en entrecoupant avec d’autres opérations, notamment de dépose de fines couches de matériaux divers. En effet, la tranche est constituée dans son épaisseur de silicium, mais d’autres matériaux sont utilisés pour donner les propriétés conductrices, thermiques, etc., souhaitées avec des motifs obtenus grâce à la photolithographie. Ces dépôts peuvent être réalisés par solidification et dépôt sur la surface du matériau en phase vapeur, ou par oxydation ou une autre transformation chimique du substrat exposé.

On réalise ainsi une succession de couches ayant des fonctions diverses : couches de diffusion pour diffuser des dopants dans les couches de substrat; implantation d’ions additionnels; mise en place des conducteurs (en général couches métalliques); couches de contact électriques.

Des procédés spécifiques ne relevant pas de la lithographie peuvent également exister, comme le smart cut inventé par Michel Bruel du LETI permettant de déposer sur le substrat silicium d’abord une couche d’oxyde de silicium SiO2, puis à nouveau une fine couche de silicium. C’est le Silicon-on-Insulator ou SoI de la société Soitec. L’avantage est que le substrat ainsi préparé peut entrer dans les chaînes de production normales de la nanoélectronique; mais la couche intermédiaire d’oxyde de silicium, qui est un isolant à la fois thermique et électrique, améliore les performances des puces ainsi réalisées sur ces deux plans. Or la performance énergétique (électrique et thermique) des puces modernes constitue un enjeu majeur.

Au total, ce sont plus de mille opérations qui peuvent être conduites pour achever la production d’un wafer.

Une barre de silicium monocristallin

Une barre de silicium monocristallin

Des conditions drastiques doivent être respectées dans les usines – appelées fabs – où on procède à toutes ces étapes. La première est la propreté : on parle de salles blanches. En effet, la moindre poussière a des dimensions considérables par rapport aux motifs gravés, il est donc indispensable de toutes les éliminer. Cela est obtenu par un confinement extrême, des procédés d’aspiration et de nettoyage permanents, et exige des personnels d’être habillés d’une combinaison et de masques recouvrant la totalité du corps, avec des procédures strictes pour entrer et sortir de l’enceinte. En outre, les tranches de silicium doivent être presque parfaitement pures, être faites d’un cristal presque parfait, et leur surface doit être plate avec une tolérance infime.

Les appareils et instruments utilisés sont évidemment de grande précision, et fort onéreux. En outre, la manipulation des plaquettes (tranches) est désormais entièrement robotisée, afin de diminuer les expositions, les erreurs et les manipulations inutiles.

Les masques quant à eux ne peuvent pas être réalisés par des procédés « collectifs » réalisant les motifs en parallèle, il faut les mettre en place par un procédé séquentiel. Ces motifs sont décrits dans un fichier informatisé. Les masques sont en quartz fondu couvert d’une couche de chrome. Un faisceau laser, commandé par un robot suivant les motifs décrits dans le fichier, les trace sur la surface. Un procédé de gravure permet de retirer la couche de chrome correspondante, fournissant ainsi le masque désiré. Pour réaliser une puce il faut autant de masques qu’il y a d’étapes de photolithographie. Ce procédé séquentiel rend la production d’un jeu de masques extrêmement onéreux, particulièrement dans les technologies les plus récentes (plusieurs millions de dollars pour un jeu de masques). Cela s’ajoute au coût fixe de conception de la puce, pour ne rendre rentable que les designs trouvant un marché de plus en plus important.

Pour revoir tout cela, on peut regarder avec intérêt la vidéo sur Youtube http://www.youtube.com/watch?v=aWVywhzuHnQ.

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Moore’s Law and the Future of [Technology] Economy de Jean-Luc Dormoy est mis à disposition selon les termes de la licence Creative Commons Attribution – Pas d’Utilisation Commerciale – Partage à l’Identique 3.0 non transposé.
Basé(e) sur une oeuvre à mooreslawblog.com.


[1] Ou l’inverse, auquel cas on prévoira de faire un masque en négatif.