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).

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[...]