Microélectronique : Technologie de fabrication des Circuits Intégrés par Julien BONY et Victor BOSSENNEC

pour le département GEii de L'IUTB Villeurbanne et Developpez.com

| Victor Bossennec | Julien BONY |

Vous avez toujours voulu savoir comment sont fabriqués les microprocesseurs qui animent vos ordinateurs. Vous vous demandez également comment les fondeurs réussissent à intégrer un si grand nombre de transistors dans une si petite surface. Si tel est le cas, alors cet article répondra à vos questions.

- Titre : Microélectronique : Technologie de fabrication des Circuits Intégrés par Julien BONY et Victor BOSSENNEC

- Auteurs : Victor Bossennec, Julien BONY

- Parution : 17 février 2008

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Sommaire

- I. Introduction

- II. L'atome

- II-A. Structure

- II-B. Théories - Énergies

- III. Structures Cristallines

- III-A. Liaison Covalente

- III-B. Bande d’énergie

- III-C. Conducteur/Isolant

- III-D. Semi-conducteur pur ou intrinsèque

- III-E. Semi-conducteurs dopés

- III-E-1. Matériau de type N

- III-E-2. Matériau de type P

- IV. Fabrication des semi-conducteurs

- IV-A. Site de production

- IV-B. La fabrication des circuits intégrés

- IV-B-1. La fabrication du substrat en silicium

- IV-B-2. Lépitaxie des plaquettes

- IV-B-3. La diffusion de dopant

- IV-B-4. L'implantation ionique

- IV-B-5. L'oxydation

- IV-B-6. Les dépôts

- IV-B-7. La photolithogravure

- IV-C. Exemple : réalisation d'une diode

- V. Conclusion

- VI. Remerciements

I - Introduction

Aujourd'hui les Circuits Intégrés sont incontournables. On les trouve dans le moindre équipement électronique. Il faut dire que ces concentrés de technologie permettent une réduction importante de l'encombrement, tout en apportant des fonctionnalités complexes et avec une mise en œuvre simplifiée.

Les Circuits Intégrés sont des composants microélectroniques qui ont vu leur développement prendre un essor avec la mise au point de techniques de fabrication permettant d'atteindre une miniaturisation suffisante. Ainsi il est aujourd’hui possible de concentrer dans quelques millimètres carrés, les centaines de composants élémentaires et nécessaires au fonctionnement des appareils électroniques, des plus courants aux plus sophistiqués.

La fabrication des composants microélectroniques repose sur un grand nombre de procédés qui permettent finalement d'obtenir des composants élémentaires tels que les résistances, inductances, condensateurs, diodes et les transistors, ou encore les Circuits Intégrés qui ne sont en fait qu’un assemblage de ces composants élémentaires.

Le premier transistor à pointe a été conçu par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Telephone Laboratories, en 1947 alors qu'ils travaillaient sur les diodes RADAR. Ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1956.

Le premier transistor à pointe

Le premier Circuit Intégré revient à Jack Kilby en 1958. Il était alors employé de Texas Instrument et avait câblé un montage à la main, avant que les premiers prototypes sur silicium soient réalisés. Kilby reçu le prix Nobel de physique en 2000.

Le premier Circuit Intégré

De nos jours les fondeurs tels qu'Intel, AMD ou VIA fabriquent des microprocesseurs utilisant des transistors d’une résolution de 90 nanomètres à 45 nanomètres ce qui permet l'intégration de plusieurs millions de transistors sur une surface inférieure à 200 mm².

Le premier processeur : l'Intel 4004 avec 2300 transistors pour 1 4 mm²

Un processeur actuel : le Conroe d'Intel avec 291 millions de transistors pour 1 44 mm²

II - L'atome

II-A - Structure

Un atome est composé :

- d’un noyau central, lui-même constitué de protons porteurs de charges positives +q (=1. 6. 10-19 Coulomb), et de neutrons qui comme leur nom l’indique sont neutres, donc non porteurs de charges ;

- d’un ou plusieurs électrons porteurs de charges négatives -q entourant le noyau.

Représentation d'un atome

On dit qu’un atome est électriquement neutre quand le nombre de protons est égal au nombre

d’électrons.

Un atome devient un ion positif quand il présente un excédent de charges positives (il a perdu un

électron) : il est alors chargé positivement.

À l’inverse, un atome devient un ion négatif quand il présente un excédent de charges négatives (il a

gagné un électron) : il est alors chargé négativement.

Un atome ne peut perdre de protons ou de neutrons ni en gagner (excepté dans les réactions nucléaires).

Seul le nombre d’électrons peut varier !

II-B - Théories - Énergies

Il existe deux théories concernant la gravitation des électrons autour du noyau.

La théorie classique dit que les électrons gravitent autour du noyau suivant des orbites stables alors que la théorie quantique affirme que seules certaines orbites sont permises. Les rayons des orbites et les énergies sont alors liés et permettent la définition de niveau d’énergie.

Le cas où l’électron est infiniment loin du noyau (rayon infini) est nommé état de référence. L’énergie d’interaction noyau-électron est alors nulle.

Un état d’énergie correspondant à une orbite, les autres états d’énergie sont comptés négativement. Le niveau minimal E1 correspond à la première orbite. C’est le niveau fondamental.

Diagramme d’énergie du silicium (Si)

Un apport d’énergie (température, lumière…) peut faire passer l’électron à un niveau d’énergie supérieur (il change alors d’orbite). L’électron est alors « excité » et il revient à sa position initiale en restituant son excédent d’énergie sous forme d’émissions de photons (radiation lumineuse).

Électron excité

Émission de photons

Chaque orbite ne peut contenir qu’un certain nombre d’électrons. Elles sont divisées en couches et sous-couches :

- Couche 1 ou K : 2 électrons ;

- Couche 2 ou L : 8 électrons partagés entre deux sous-couches comportant 2 et 6 électrons ;

- Couche 3 ou M : 18 électrons partagés entre trois sous-couches comportant 2, 6 et 10 électrons.

Intéressons-nous désormais à l’atome de silicium présent dans le sable, qui est utilisé pour créer les substrats.

Atome de silicium (Si)

La première couche K, complète, possède donc deux électrons d’énergie E1.

La seconde couche L, également complète, possède huit électrons d’énergie E2.

La dernière couche, incomplète, contient quatre électrons (il en manque quatre pour compléter la 2e sous-couche) d’énergie E3 appelés électrons de valence. Cette couche est appelée couche de valence.

Les propriétés électriques et chimiques dépendent essentiellement de ces électrons de valence.

Si la dernière couche est complète, l’atome est alors stable et inerte chimiquement. C’est le cas des gaz rares comme le Néon ou l’Argon par exemple.

III - Structures Cristallines

III-A - Liaison Covalente

Une structure cristalline est formée de plusieurs atomes et se caractérise par l’ordre dans lequel se positionnent les atomes aux nœuds d’un réseau. Les liaisons entre ces atomes sont assurées par l’échange des électrons de valence entre atomes voisins. C’est la liaison covalente. Cette liaison correspond aux semi-conducteurs purs et aux isolants.

Revenons au silicium :

Représentation d'un cristal de silicium (Si)

Dans un cristal de silicium, le noyau central de chaque atome a 8 électrons sur sa couche de valence : les quatre propres à l’atome plus quatre autres partagés avec les atomes l’entourant créant ainsi une liaison covalente.

Le cristal de silicium a alors une bonne cohésion et une bonne résistance thermique.

III-B - Bande d’énergie

Les électrons d’un atome de silicium isolé ont exactement la même énergie. Combinées dans un cristal, les charges des atomes adjacents influent sur l’orbite d’un électron. Celle-ci varie alors à cause de la position différente de chacun d’entre eux dans le cristal. Comme il y a des milliards d’électrons sur les premières orbites, les niveaux énergétiques légèrement différents forment une bande. Ce phénomène se reproduit également sur les autres orbites : cela crée les bandes d’énergie.

Énergies des 1res orbites d’atomes adjacents

Les énergies forment des bandes appelées bandes d'énergies

La bande de valence est la bande formée avec les énergies des dernières orbites, qui est donc la troisième pour le silicium. Au-delà de celle-ci se trouve la bande de conduction qui contient des électrons libres circulant sur une orbite extrêmement grande où les électrons ressentent peu l’attraction du noyau. Ils sont alors libres de se déplacer d’un atome à l’autre : cela génère un courant.

III-C - Conducteur/Isolant

La différence entre un conducteur et un isolant vient de la couche périphérique de l’atome : soit l’atome est un ion possédant un nuage d’électrons libres, soit c’est un atome dont la dernière couche est complète.

Si c’est un ion, ses électrons libres sont situés dans la bande de conduction, incomplète, qui grâce à un champ électrique se déplacent et créent un courant. C’est le conducteur.

Si c’est un atome dont la dernière couche est complète, la bande de conduction est vide. Le gap, bande d’énergie vide, séparant la bande de valence à la bande d’énergie est important. C’est l’isolant.

III-D - Semi-conducteur pur ou intrinsèque

À 0 °K, le semi-conducteur est isolant et la bande de conduction vide. Les électrons sont dans l’incapacité de se déplacer dans le cristal. Si l’on élève la température, l’énergie thermique va alors briser quelques liaisons covalentes et permettre à des électrons de valence d’acquérir l’énergie nécessaire pour passer dans la bande de conduction.

À noter : la différence entre les isolants classiques et les semi-conducteurs est la largeur de gap.

Plus la température est élevée, plus le nombre d’électrons de valence injectés dans la bande de conduction est grand ainsi que le courant. À 25 °C, le courant étant trop faible pour être d’une quelconque utilité, un morceau de silicium n’est ni un bon isolant ni un bon conducteur : c’est un semi-conducteur.

Représentation du déplacement d'un électron dans la bande de conduction

L’électron qui a migré de la bande de valence vers la bande de conduction a laissé dans celle-ci un trou. La bande de valence n’est donc plus saturée et chaque trou correspond à une orbite disponible. Un trou est créé lors du mouvement d’un électron venu combler ce vide. Cela donne une impression de déplacement des trous dans la bande de valence.

III-E - Semi-conducteurs dopés

Sachons qu’un semi-conducteur pur est un quasi isolant alors qu’un semi-conducteur dopé voit sa conductibilité augmenter (aux dépens de sa résistivité) et se situer entre celle d’un isolant et d’un conducteur classique.

LE DOPAGE CONSISTE À AJOUTER DES ATOMES D’IMPURETÉS À UN CRISTAL AFIN D’AUGMENTER LE NOMBRE D’ÉLECTRONS LIBRES OU LE NOMBRE DE TROUS QUI SONT LES PORTEURS DE CHARGE CONTRIBUANT À LA CONDUCTION.

C’est grâce à ce dopage que l’on peut créer des matériaux de type N (pour négatif) ou P (pour positif).

III-E-1 - Matériau de type N

Pour obtenir un matériau de type N, on incorpore dans le semi-conducteur des impuretés pentavalentes, c'est-à-dire des atomes possédant 5 électrons périphériques comme le phosphore (P) par exemple.

La couche de valence ne peut avoir plus de huit électrons. Un électron est alors excédentaire et circule sur une orbite de la bande de conduction.

Un matériau de type N, dopé avec des atomes donneurs, présente des électrons libres et des charges positives fixes égales à la quantité d’électrons libres.

Les électrons sont les porteurs majoritaires et les trous les porteurs minoritaires.

Représentation d'un cristal dopé N

III-E-2 - Matériau de type P

Représentation d'un cristal dopé P

Pour obtenir un matériau de type P, on incorpore dans le semi-conducteur des impuretés trivalentes, c'est-à-dire des atomes possédant 3 électrons périphériques comme le bore (B) par exemple.

L’orbite de valence du bore ne comporte que 7 électrons donc chaque atome de bore comporte un trou.

Celui-ci est comblé par un électron appartenant à un atome de silicium voisin.

Un matériau de type P, dopé avec des atomes accepteurs, présente des trous mobiles et des charges négatives fixes égales à la quantité de trous mobiles.

Les trous sont les porteurs majoritaires et les électrons les porteurs minoritaires.

IV - Fabrication des semi-conducteurs

IV-A - Site de production

Le site de production est une usine répondant à des impératifs stricts. Ainsi, la moindre poussière peut endommager le substrat de silicium et le rendre inutilisable. Ainsi, toute fabrication s'effectuera dans une salle blanche, salle dont l'atmosphère est contrôlée en température et humidité et dont le nombre de particules de poussières doit être le plus faible possible.

L'oxydation du substrat pendant son transport ou lors d'une attente impose également un nettoyage fréquent des plaquettes de silicium. Ceci afin d'éliminer l'oxyde natif, mais aussi des impuretés qui auraient pu se déposer malgré la propreté des salles blanches.

IV-B - La fabrication des circuits intégrés

La fabrication des circuits intégrés répond à un nombre important de processus parfois répétés plusieurs fois. Ces étapes sont expliquées dans la suite du document.

Vue globale de la fabrication de circuits intégrés

IV-B-1 - La fabrication du substrat en silicium

Le silicium existe en grande quantité à la surface du globe terrestre. Les sources naturelles sont essentiellement les silicates, zircon, jade, mica et quartz. Ce sont essentiellement des formes oxydées. Il est donc nécessaire de le réduire par le carbone (à très haute température) et de le purifier afin d'obtenir un matériau dit de qualité électronique (Electronic Grade Silicon). Cette purification est importante, car toute la théorie des semi-conducteurs est basée sur un cristal parfait ou quasi parfait notamment à cause du dopage qui suppose une maîtrise de la concentration d'atomes dopants de l'ordre de 1014 cm-3.

La première étape consiste à effectuer une électrolyse dans un four à arc à électrode de graphite. Ceci permet d'atteindre la température de fusion de la silice (1415 °C) selon la formule suivante :

On obtient alors du silicium pur à 98 %. Il faut alors effectuer une distillation à partir d'un produit, liquide à température ambiante, qui contient le silicium. De nombreux procédés ont été développés basés sur le trichlorosilane (SiCl4), le dichlorosilane (SiH2Cl2), le trichlorosilane (SiHCl3), le tétrafluorosilane (SiF4) ou le tétraiodure de silicium (SiI4).

Nous nous attarderons sur le trichlorosilane, produit le plus utilisé dans l'industrie. Il est obtenu par pulvérisation du silicium dans du chlorure d'hydrogène (HCl) sous forme gazeux, suivant la réaction :

Si S + 3HCl G ==> SiHCl3 G + H2 G

Cette réaction avec le chlore permet une purification, il ne reste alors plus qu'à réduire avec du

dihydrogène, selon la formule suivante :

SiHCl3 G + H2 G ==> Si S + 3HCl G

Traitement du silicium

On obtient alors des lingots de silicium (en structure polycristalline) formés à partir d'un germe sur lequel est déposé progressivement le silicium. La pureté obtenue est de l'ordre du ppm ce qui reste faible par rapport au dopage.

Ces lingots servent alors de charge (que l'on peut doper ou non) à introduire dans un réacteur de croissance. La charge est alors fondue et on effectue un tirage progressif du lingot à partir d'un germe. Cette méthode de tirage est appelée « Czochralski ».

Tirage d'un lingot de silicium

Une autre technique consiste à piloter la croissance d'un germe par le déplacement d'une zone chauffée en limite de fusion du silicium (créer par une bobine parcourue par un courant de Foucault).

Le lingot obtenu est alors équeuté. Cette opération consiste à éliminer les extrémités du lingot soit mal cristallisées soit riches en impuretés. Ces techniques ont l'inconvénient de modifier la concentration de dopant ce qui implique une variation de la résistivité le long du lingot. Une vérification des spécifications est donc nécessaire afin d’écarter les lingots de mauvaise qualité.

Afin de pouvoir découper les substrats selon leurs axes cristallographiques, un repérage est effectué par la méthode de diffraction des rayons X, puis un méplat est usiné pour servir de référence.

Les lingots sont alors polis pour être parfaitement cylindriques.

Ils sont ensuite découpés à l’aide d’une scie diamantée ou d’un fil. Dans le cas d’une coupe par fil, les pertes sont plus faibles. Ces pertes atteignent tout de même 50 à 60 % du lingot initial. On obtient alors des plaquettes ou wafers en anglais.

Afin de relaxer le cristal suite aux contraintes mécaniques imposées par le sciage et de rééquilibrer la résistivité, le lingot est recuit à 600 °C.

Les plaquettes sont alors arrondies, triées en fonction de leurs épaisseurs, polies et nettoyées. Les impuretés sont éliminées par des solutions acides, puis basiques et enfin l’oxyde natif est enlevé par de l’acide fluorhydrique. On réalise aussi un bombardement laser pour utiliser l'effet « getter ». Les plaquettes sont triées une nouvelle fois, polies pour atteindre un effet « miroir », puis marquées au laser pour permettre un suivi lors de la fabrication.

Les plaquettes sont alors vérifiées par un homme, qui reste le meilleur inspecteur.

IV-B-2 - Lépitaxie des plaquettes

Le principe de l'épitaxie est de faire croître du cristal à partir d'un germe, par un apport de matière. Ici, c'est le substrat qui sert de germe cristallin. La couche épitaxiée peut être dopée ou non. Il y a trois types d'épitaxie :

- l'épitaxie par jet moléculaire à une vitesse de croissance lente. Elle permet donc d'obtenir une grande précision, des jonctions très abruptes. Mais cette technique est coûteuse et ne traite qu'un seul substrat à la fois ;

- l'épitaxie en phase liquide utilise le même principe que la méthode de tirage dite « Czochralski ». Cette technique est rapide, mais il faut contrôler les échanges thermiques afin d'éviter la liquéfaction du substrat ;

- l'épitaxie en phase vapeur utilise un apport de matière sous forme gazeuse. Les plaquettes sont chauffées et du gaz contenant les éléments dopants est injecté dans le réacteur. En se dissociant, les gaz forment du cristal sur la surface des plaquettes.

IV-B-3 - La diffusion de dopant

La diffusion consiste à faire migrer des espèces chimiques dans un milieu. Il y a trois procédés de diffusion de dopant suivant le type de source et de dopant utilisés : sources gazeuses, liquides ou solides :

les sources gazeuses font appel à de l'AsH3 (Arsine), la PH3 (Phosphine) ou le B2H6 (Diborane). Ces gaz étant très fortement dangereux pour l'homme, on utilise plutôt la méthode liquide ;

ainsi, on utilise principalement les sources liquides telles que le POCl3 (Phosphoroxidchloride) ou le BBr3 (Boron bromide). Ce sont des liquides facilement vaporisables, qui sont ensuite utilisés dans le four de diffusion sous forme gazeuse.

Four de diffusion de dopants liquides

Les sources solides sont formées de plaques de verre contenant du dopant tel que le BN (Nitrure de bore) ou le P (Phosphore). Ces plaquettes sont intercalées, dans le four, avec les plaquettes de substrat. Une oxydation permet la formation d'oxydes qui, une fois évaporés, se déposent sur le substrat. Au cours du dépôt, un peu de matière pénètre dans le cristal de silicium. Cette matière est alors diffusée vers l'intérieur grâce à un recuit thermique.

IV-B-4 - L'implantation ionique

Un implanteur ionique

Cette opération consiste à bombarder des ions sur la surface d'une plaquette afin de doper des zones précises en cours de fabrication (création de zones de source ou de drain d'un transistor MOS, d'une base et d'un émetteur dans un transistor bipolaire…). Généralement, la profondeur d'implantation varie de 100 Å à 1 mm.

Cette technique offre un contrôle précis des concentrations de dopant dans le substrat (mesurées en nombre d'atomes par unité de surface), mais elle crée des dommages dans la structure cristalline qui impose un recuit thermique.

L'implanteur est en pratique un accélérateur d'ions.

IV-B-5 - L'oxydation

L'oxydation consiste à créer une couche d'oxyde sur le substrat de silicium afin de s'en servir :

- de masque d'implantation ou de diffusion de dopants ;

- de couche passivante à la surface du silicium ;

- de zones d'isolation entre différents composants ;

- de couche active dans les transistors MOS (oxyde de grille) ;

- d'isolation électrique entre des couches proches ;

- d'isolation électrique entre les différents niveaux de métallisation ou de couches conductrices ;

- de couches sacrificielles.

Il existe plusieurs techniques pour obtenir un oxyde dans un four similaire à celui de diffusion :

- l'oxydation thermique en présence d'oxygène, dite oxydation sèche. C'est la plus lente, on obtient donc peu de défauts électriquement natifs ;

- l'oxydation thermique par voie humide en présence d'oxygène et de vapeur d'eau ;

- l'oxydation thermique vapeur en présence de vapeur d'eau uniquement ;

- l'oxydation anodique, obtenue par voie électrochimique ;

- l'oxydation plasma, réalisée à l'aide d'un plasma d'oxygène.

La couche de silicium initiale réagit avec l'élément oxydant pour former l'oxyde ce qui consomme du Silicium. L'interface Si/SiO2 va donc se retrouver « au-dessous » de la surface initiale.

Oxyde formé à la surface du substrat

L'oxydation se faisant sous haute température, les dopants se diffusent dans le substrat. De plus, étant donné la consommation de silicium lors de l'oxydation, une partie des atomes dopants se retrouvent dans l'oxyde.

Il y a donc une modification des zones dopées. Mais les capacités de diffusion des atomes dopants dans le silicium et dans l'oxyde sont en général différentes. Il se crée alors une discontinuité de concentration de dopant à l'interface Si/SiO2, ce qui minimise l'effet de diffusion.

Si l'on veut éviter cet effet de diffusion des dopants, on peut utiliser un four à lampes halogènes qui permet de chauffer les substrats très rapidement en présence d’une atmosphère oxydante. Cette technique élimine d'autant plus la diffusion qu'elle est effectuée rapidement.

IV-B-6 - Les dépôts

Cette opération est nécessaire lorsqu'il faut réaliser une couche conductrice, isolante ou de masquage dans un procédé qui n'utilise pas directement le matériau du substrat. Les dépôts s'effectuent dans un four qui contient tous les éléments de la couche à réaliser ainsi qu'une balance à quartz afin de contrôler l'épaisseur du dépôt. Il y a cinq méthodes de dépôt :

1) par évaporation thermique. La matière à déposer est vaporisée à proximité des plaquettes, et va donc se déposer dessus ;

2) par pulvérisation cathodique ou canon à électrons. Ces techniques consistent à bombarder la matière à déposer par des ions, qui vont arracher d'autres ions de cette matière et à les guider sur les plaquettes de substrat. Ces méthodes permettent des dépôts de couches métalliques ;

3) par dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Deposition). Cette technique permet de faire croître du silicium polycristallin ou des couches d'isolants ;

4) par dépôt assisté au plasma (Plasma Enhanced C.V.D.). Cette technique rejoint le C.V.D. On utilise une source d'énergie magnétique afin de la substituer à l'énergie calorifique. On obtient donc un dépôt à faible température, ce qui évite la diffusion des dopants. De plus cette technique permet le traitement de plusieurs plaquettes simultanément ;

5) par dépôt à basse pression (Low Pressure CVD). Méthode dérivée du C.V.D. qui s'effectue en phase vapeur à basse pression et faible température (de 500 à 600 °C).

IV-B-7 - La photolithogravure

La photolithogravure consiste à reproduire un masque (physique ou logiciel) sur le substrat. Cette méthode fait appel à plusieurs procédés :

1) dépose d'une résine photosensible par centrifugation. Si on utilise une résine positive, on obtient exactement le même motif sur la couche de silicium que sur le masque de départ. Dans le cas d'une résine négative, on obtient sur les plaquettes le motif complémentaire. La résine est ensuite séchée ;

Résine photosensible appliquée sur une plaquette

2) insolation de la résine. Ce procédé consiste à exposer la résine photosensible à un faisceau lumineux.

La lumière utilisée est en général hors du domaine visible, à savoir en ultraviolet, voire en X. L'insolation peut se faire de deux manières différentes.

1. L'insolation par masque physique, comporte plusieurs techniques :

1.1 La technique par contact donne théoriquement la meilleure définition des motifs, mais détériore le masque après chaque opération en raison des frottements importants. Il faut également que le masque soit de la même taille que le motif à graver, ce qui est dur à réaliser.

Insolation par contact

1.2 La technique par proximité élimine la détérioration du masque, car il n'y a plus de contact. Mais tout comme la technique de contact, le masque doit être de la même taille que le motif ce qui rend sa réalisation très difficile.

Insolation par proximité

1.3 La projection donne la moins bonne définition optique en raison des effets de diffraction de la lumière, mais permet par contre d'effectuer une réduction ce qui simplifie la fabrication du masque. Les insolateurs par projection avec photorépétition permettent d'effectuer la projection par secteur, c'est-à-dire, puce par puce ou bloc par bloc de plusieurs puces. Dans ce cas, il faut pouvoir parfaitement positionner la plaquette.

Insolation par projection

2. L'insolation par faisceau d'électrons utilise un canon à électrons. Cette technique utilise alors

un masque informatique, qui permet une meilleure malléabilité. Ainsi ce procédé permet d'obtenir des puces différentes sur la même plaquette, alors que le procédé utilisant un masque physique oblige, soit un changement de masque (ce qui est fastidieux), soit une reproduction à l'identique des puces. Mais un faisceau de 0,1 mm donne un temps d'insolation de trois heures et un tel système est extrêmement coûteux, puisqu'il faut éviter toute vibration d'amplitude supérieure à un dixième de micron, ce qui rend cette méthode peu utilisée.

Insolateur à canon à électronsInsolateurs à canon à électrons

3) Les motifs sont alors révélés par un révélateur. Puis les plaquettes sont rincées et recuites pour durcir la résine, qui peut alors résister aux attaquants chimiques.

4) La gravure permet d'éliminer la matière (couche ou film) non protégée par la résine. Il y a deux méthodes de gravure :

- la gravure humide se fait par attaque chimique en solution aqueuse. La couche est donc attaquée de façon équivalente suivant toutes les directions de l'espace. On dit que la gravure est isotropique.
Cette technique est simple à utiliser et permet de traiter plusieurs plaquettes (jusqu'à 200 plaquettes) simultanément, c'est pourquoi elle est très répandue. Néanmoins il faut rincer et sécher minutieusement les substrats après la gravure. De plus la fin de gravure est difficilement contrôlée.

Bain pour la gravure humide

- la gravure sèche est en réalité une technique de gravure plasma dans laquelle interviennent à la fois les effets de bombardement par des ions et la réaction chimique. Le matériau produit par la réaction doit être volatil pour pouvoir quitter la surface du substrat et être éliminé par pompage. Sans polarisation particulière des électrodes, l'attaque est en général isotropique, mais en donnant une orientation spécifique aux ions, on obtient une gravure anisotropique. L'utilisation d'un interféromètre laser permet un contrôle précis de la fin de gravure.

Four de gravure sèche

Différence entre gravure isotropique et anisotropique

5) La résine est ensuite retirée de la surface par un solvant chimique puissant comme l'acétone.

IV-C - Exemple : réalisation d'une diode

Voici les principales étapes de fabrication d'une diode à jonction PN :

1) Nettoyage du substrat

2) Oxydation épaisse humide pour fabriquer un masque de diffusion

3) Photolithogravure 1, d'ouverture de l'anode

4) Implantation de Bore

5) Diffusion-recuit d'implantation

6) Oxydation thermique humide

7) Photolithogravure 2, de création des contacts

8) Dépôt d'aluminium

9) Photolithogravure 3, d'ouverture des contacts

10) Recuit forming-gas

11) Dépôt de verre de passivation (verre de Bore)

12) Photolithogravure 4, d'ouverture des « pads »

V - Conclusion

J'espère que cet article a pu répondre à certaines de vos questions. J'espère aussi qu'il n'a pas été trop rébarbatif bien qu'il soit d'une complexité importante pour le néophyte. Mais je pense qu'une simplification supplémentaire l'aurait rendu inexact et trop vague.

VI - Remerciements

Tout d'abord je tiens à remercier Julien BONY et Lionel MIANI qui ont accepté que je prenne leurs travaux afin de rédiger cet article.

Je tiens également à remercier Mme Christine MARGUET et M. Xavier GALTIER de nous avoir proposé de traiter ce sujet à l'Institut Universitaire de Technologie B de Villeurbanne (rataché à l'Université Claude Bernard Lyon I) et qui nous ont aidés dans la rédaction de ce document.

Enfin, je remercie Auteur et BWP-Necromance du site developpez.com qui m'ont aidé à publier cet article.

Les illustrations sont tirées du cours de M. Olivier BONNAUD professeur à l'Université Claude Bernard Lyon I.