technologie des composants et microcapteurs

TECHNOLOGIE DE FABRICATION DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES ET DES MICROCAPTEURS

Préambule

Les technologies de fabrication des composants électroniques ont beaucoup évolué depuis l'invention du premier transistor puisqu'on est passé d'un élément ayant la taille d'une pièce de 1€ à des dimensions submicroniques (0.13µm en janvier 2002 et déjà 65nm en fin 2005 chez Intel en production et enfin 45nm en avant première chez IBM au printemps 2006, tandis qu'en décembre 2007 le groupe TSMC échantillonnait des SRAMs en technologie 32nm). Néanmoins certains principes ont été conservés et bien entendu la technologie est subordonnée aux contraintes qui résultent des propriétés fondamentales des semi-conducteurs telles qu'elles apparaissent dans les chapitres sur la physique des composants. Notons cependant que 32 nanomètres ça représente sensiblement une centaine d'atomes et que l'on approche insensiblement d'une limite en dessous de laquelle on ne pourra plus descendre sauf à changer complètement de principes.

L'objectif de ce chapitre n'est pas de faire le tour de la question mais de présenter certaines techniques essentielles tant pour les composants électroniques que pour les capteurs intégrés. Nous développerons plus particulièrement le cas du transistor et des résistances intégrées en remarquant que tous les composants actifs ne sont, à quelques détails près, que des associations de ces éléments de base.

Nous ajouterons quelques éléments pour comprendre les procédés de micro-usinage indispensables dans la conception des microcapteurs intégrés et d'une manière générale dans ce qu'on appelle dorénavant les nanotechnologies.

généralités : les étapes de la fabrication d'un composant.

Dans les paragraphes et chapitres suivants nous détaillerons les principales opérations, ici nous allons simplement donner le listing des étapes successives de la conception à la fabrication d'un composant électronique en 2007.

La première étape c'est évidemment la définition de la fonction que devra remplir ce composant, ce qui, aujourd'hui, passe par une modélisation informatique. Il s’agit d’implanter l’ensemble des composants élémentaires du circuit sur la tranche de silicium. La première étape de ce processus consiste à traduire le schéma électronique en un schéma d’implantation c'est à dire à définir les emplacements respectifs des composants, leur géométrie superficielle en tenant compte des contraintes liées au dopage, à la dissipation thermique du composant en fonctionnement, aux connexions vers l'extérieur et à l'ensemble des contraintes de voisinage en terme de champs électriques variables. Ce type d’opération s’appuie aujourd’hui sur des logiciels de conception assistée par ordinateur permettant des simulations et une aide cruciale à la résolution des problèmes de topologie complexe relatifs à ce type de « micro-urbanisme ». De plus, ces outils informatiques sont dotés de très vastes bibliothèques de composants élémentaires et de modules prédéfinis permettant au fondeur de silicium une industrialisation aisée par blocs fonctionnels. . Cette étape qui était complètement manuelle il y a vingt ans est aujourd'hui tellement informatisée et les circuits réalisés tellement complexes qu'aucun humain n'est en mesure d'en prévoir tous les comportements. Ainsi la robotisation de cette conception assistée par ordinateur conduit quelquefois à des dispositifs ayant, dans certaines conditions de fonctionnement, des comportements imprévus et que l'on ne découvrira peut-être que plusieurs années après le lancement de la fabrication. Un tel incident s'est produit sur un microprocesseur utilisé dans nombre de PC et bien des utilisateurs ont, un jour ou l'autre, eu un programme qui a planté sans qu'ils ne comprennent pourquoi. Il est vraisemblable qu'ils auront accusé le système d'exploitation qui, pour une fois, n'était pas responsable. C'est un ingénieur système de haut niveau qui, victime de l'incident, a compris qu'il devait venir du processeur et qui a trouvé la faille, alors que ce processeur était commercialisé depuis plus de trois ans et qu'aucun des tests lors de la phase de modélisation, ni lors des essais sur les premières puces fabriquées, n'avaient généré la configuration qui entrainait un fonctionnement erroné.

Chaque motif géométrique sera obtenu en utilisant un procédé dit de lithogravure qui met en oeuvre des masques photographiques représentant les motifs à réaliser à l'échelle convenable. Il y a donc une phase de dessin de masques au début de la conception. C'est le processus classique pour la réalisation des microcapteurs que nous développerons principalement ci-après. Pour les composants hyperminiaturisés les masques photographiques ont été remplacés par des principes de gravure directe utilisant des pinceaux de RX soit des implantations d'atome selon des procédés "électroniques" car la résolution photographique traditionnelle est devenue insuffisante. Par contre elle convient toujours pour les microcapteurs dont les dimensions sont encore millimétriques.

Lors de cette étape préliminaire essentiellement graphique on va définir les diverses étapes de la fabrication en fonction des matériels de production dont on dispose et la plupart des premières étapes, chez un fondeur de silicium, vont comporter l'exploitation de ces masques photographiques définis de plus en plus par l'ordinateur.

Bien sûr un composant basé sur le silicium nécessite d'abord du silicium monocristallin de pureté contrôlée, nous verrons donc comment obtenir ce matériau, comment le doper et l'obtenir à l'état de monocristal qu'on tranchera en "wafers" sur lesquels on procédera aux opérations de diffusion contrôlée d'impuretés sélectionnées, puis de microgravure pour obtenir les motifs géométriques représentant tout ou partie du composant. Ces opérations de diffusion/microgravure vont généralement être répétées plusieurs fois pour réaliser l'ensemble des motifs avec évidemment changement de masque à chaque opération élémentaire et nous verrons les difficultés liées au repositionnement relatif des masques avec une répétabilité de plus en plus précise (aujourd'hui en terme de répétabilité on parle en nanomètres et précisons pour illustrer ce problème qu'un cheveu humain fait entre 50 et 100 microns de diamètre : ce qui veut dire qu'on pourrait placer, chez INTEL en 2005, entre 10⁵ et 10⁶ transistors élémentaires dans une surface équivalente à la section d'un cheveu, en pratique beaucoup moins car dans un dispositif réel une grande place est consommée par les liaisons entre composants élémentaires et les murs d'isolement entre composants).

Nous examinerons ensuite les opérations de finition aboutissant au montage du composant dans un boitier.

Processus typiques d'obtention de monocristal de silicium et de couches actives.

monocristal :

Typiquement le silicium de qualité métallurgique est obtenu à partir du sable, et plus spécifiquement de sables très purs du désert australien, très riches en silice et au contraire relativement pauvres en composés néfastes tel le sodium, selon un processus de fonderie en deux temps: le matériau est d'abord attaqué chimiquement par HCl ce qui conduit à un mélange de SiCl4 et SiHCl3. Ce produit est alors réduit par l'hydrogène vers 1000°C.

Ce silicium pur à 98-99% environ est impropre à l'utilisation pour l'industrie électronique qui nécessite du Si de type 6N au moins c'est à dire à >99.9999% de pureté (et parfois même plus pour certains composants). Cette purification est obtenue en exploitant le procédé dit de purification physique par zone fondue figuré ci-dessous.

Le barreau de silicium est introduit dans un four, en atmosphère neutre ou sous vide, et soumis à l'action limitée d'un processus de chauffage, soit par induction, soit de plus en plus souvent par laser de puissance, qui provoque la fusion d'une très faible tranche du barreau. Dans ces conditions les impuretés de la zone solide proche diffusent, selon la loi de Fick, vers la microzone liquide qui s'enrichit en impuretés tandis que la phase solide se purifie. Il suffit de déplacer lentement cette zone fondue d'une extrémité du barreau à l'autre (en déplaçant la bobine HF) pour transporter l'essentiel des impuretés à l'extrémité du barreau. En procédant à plusieurs balayages successifs on aboutit progressivement à l'obtention d'un barreau de pureté convenable. L'extrémité impure est évidemment éliminée.

Le silicium dit intrinsèque doit maintenant subir un double traitement à la fois d'enrichissement en matériau dopant afin d'en faire du silicium extrinsèque de type N ou P comportant une proportion connue d'une impureté connue et d'obtenir de plus un monocristal convenablement orienté. Cette opération est réalisée dans un four de tirage selon la procédure imaginée par Czochralski vers 1916.

Fig. Principe du tirage de monocristal et machine de tirage

Le silicium est fondu en atmosphère neutre, un germe monocristallin convenablement orienté est amené au contact du liquide puis tiré lentement vers le haut (1mm/mn) et simultanément mis en rotation (30 tr/mn). Le liquide est entrainé par capillarité et se solidifie en continuant à l'identique le réseau cristallin du germe (processus d'épitaxie). Le dopage s'obtient évidemment en introduisant dans le bain liquide l'additif en concentration prédéfinie.

Notons que, puisque la concentration d'impureté passant dans la phase solide est légèrement plus faible que celle du liquide, il faudra que le liquide soit plus riche en additif que ne le sera le solide souhaité, ce qui imposera un contrôle permanent de la phase liquide à la fois en concentration (et température) afin de maintenir une concentration constante, et conforme à la valeur souhaitée, d'impureté dans le solide.

L'opération suivante consiste, après refroidissement, à découper le lingot en tranches de 100 à 300µm d'épaisseur, appelées wafers, qui seront ensuite manipulées pratiquement exclusivement par des robots et stockées dans des cassettes. A partir de cet instant il est indispensable d'opérer en atmosphère totalement dépoussiérée (salle blanche de classe 100, avec des zones critiques devant être en classe 1, c'est à dire ne comportant pas plus d'1 particule de taille supérieure au micron par cm3).

Fig. machine de découpe et polissage de wafers et cassette porte wafers

élaboration de couches actives :

L'élaboration de couches actives s'effectue de diverses manières : la plus ancienne est la diffusion thermique en four ouvert ou fermé.

diffusion thermique

En tube ouvert les tranches sont dans un tube balayé en permanence par un flux gazeux (Azote ou Argon) lequel va, dans une phase de diffusion, entrainer le composé gazeux de l'élément dopant tel le BBr3 ou POCl3. Dans une phase d'oxydation, de l'oxygène est envoyé avec une faible proportion de vapeur d'eau, tandis que dans une phase de recuit seul le gaz neutre balaiera le tube. Dans tous les cas la température dans le four est critique et contrôlée avec une grande précision. Chaque fabricant possède son propre tour de main, au secret jalousement gardé, aussi nous indiquerons que les températures utilisées sont situées dans la plage 900-1000°C et sont évidemment différentes selon la phase opératoire en cours.

Fig. principe de la diffusion thermique en tube ouvert et machine industrielle robotisée

Le second procédé de diffusion s'effectue en ampoule scellée, dans ce cas le dopant est placé dans une coupelle chauffée à une température supérieure à celle des tranches de silicium; le bore (ou l'arsenic) passe alors à l'état de vapeur et va venir se condenser à la surface des tranches de silicium, puis comme dans le cas précédent diffuser à l'intérieur du matériau en respectant la loi de Fick. Le contrôle de température et de durée de l'opération permet d'obtenir le résultat souhaité.

implantation ionique

La principale difficulté de la diffusion thermique est que la loi de diffusion conduit à un profil de concentration en atomes dopants diminuant non linéairement à partir de la surface, et que les besoins de réalisation de jonction p-n supposent au contraire l'obtention d'une jonction abrupte, c'est à dire le passage brutal d'une zone p de concentration homogène en dopant de type p à une zone n elle aussi homogène en concentration de dopant n. Pour tenter d'homogénéiser la zone diffusée on pratique, après arrêt du processus de dépôt en surface (ou réduction contrôlée du débit gazeux) à un traitement thermique adapté des tranches de silicium. Ce n'est pas toujours suffisant pour obtenir une jonction très abrupte et l'on procède parfois à l'implantation directe en profondeur d'atomes ionisés à l'aide d'un implanteur ionique.

Fig. schéma de principe d'un implanteur ionique et machine industrielle d'implantation

En contrôlant très précisément la tension d'accélération on détermine la profondeur de pénétration des ions et, en contrôlant le courant dans la source d'ions, on définit la densité, tandis que les électrodes de balayage X et Y permettent de préciser l'endroit de l'implantation. Il est ainsi possible d'obtenir dans une tranche de silicium des zones parfaitement localisées où des jonctions sont abruptes, ainsi que des zones surdopées de propriétés résistives particulières. De plus en plus fréquemment ce procédé a tendance à devenir le procédé privilégié de fabrication car le pilotage par ordinateur de l'implanteur permet de réaliser des implantations très précises sur des zones de quelques dizaines de nanomètres de largeur, avec une excellente reproductibilité.

épitaxie

Le troisième procédé pour réaliser une couche active s'apparente à la technologie couche mince. Il consiste à déposer lentement, soit dans un environnement de vide par évaporation contrôlée simultanée de silicium et de dopant à partir de deux sources indépendantes, soit en phase vapeur (CVD) à partir de SiH4 et d'un composé ad hoc du dopant, une couche de silicium convenablement dopée sur la tranche de type opposé. Celle-ci sera chauffée à une température suffisamment élevée afin de permettre aux atomes se déposant de se placer correctement c'est à dire de continuer le monocristal sans introduction de défauts à l'interface (épitaxie), mais suffisamment basse pour éviter le processus de diffusion thermique. On obtient ainsi des jonctions abruptes relativement profondes car l'épaisseur de la zone épitaxiée peut-être relativement importante (plusieurs microns).

On fera le plus souvent appel à plusieurs de ces méthodes successivement au cours des diverses étapes du processus conduisant à la réalisation d'un composant complexe.

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	6 pages à l'impression			version initiale 2002
	AVERTISSEMENT				dernière mise à jour 17 mars 2013

généralités sur les composants	le listing des opérations
obtention d'un monocristal	une métallurgie particulière
diffusion thermique	une opération thermique
implantation ionique	pour faire une jonction abrupte
épitaxie	un autre procédé classique
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