1 ‑ Nature du
travail
Le problème se
résume à réaliser sur un support, généralement du silicium mais pas
seulement des zones parfaitement déterminées dans lesquelles on
pourra faire pousser du silicium (épitaxie), introduire du dopant
(diffusion, implantation), faire croître de l'oxyde, créer une
connexion etc
2 - Création
des zones
De façon générale, il s'agit de
protéger la plaquette de silicium qui va recevoir les composants,
diodes, transistors, circuits intégrés, puis de dégager des espaces qui
vont faire l'objet d'un travail, le travail exécuté, il faut éliminer la
protection, recouvrir d'une nouvelle protection, dégager de
nouvelles zones etc
Le masquage
Le masquage proprement dit consiste à protéger les zones qui ne
doivent pas recevoir de dopant ou d'oxyde ou autre à l'aide d'un matériau "étanche", qui
pourra être une résine photosensible ou de l'oxyde de silicium
(Si02).
La
photo-lithogravure:
C'est Jean Hoerni (
photo de droite) qui créa le premier transistor par
photo-lithogravure le 2n1613 en 1958 chez Fairchild
semiconductor. Son procédé allait révolutionner la
technique de fabrication des semi-conducteurs
Le processus passe d'abord par la réalisation des masques qui seront
ensuite utilisés comme les typons des circuits imprimés pour
l'insolation de la résine photosensible déposée sur le silicium. Le
révélateur éliminera ensuite la résine qui a été ou qui n'a pas été
insolée (résine positive ou négative). Le silicium après passage au
révélateur se retrouve à nu à certains endroits permettant ainsi la
pénétration du dopant ou toute autre opération.
C'est le procédé de photo lithographie
Les
problèmes de la photo lithographie:
Les
dimensions des motifs les plus petits descendent maintenant en
dessous du micron (1μm=10‑6m
et même de quelques dizaines de nanomètres ) ce qui entraîne des
problèmes considérables:
|
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la diffraction de la lumière
On sait qu'un
faisceau de lumière parallèle, en passant par un orifice, diverge (
diffraction de Fraunhofer), cette divergence, tangente de l'angle α,
est donnée par la formule:
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Hoerni est un ingénieur
suisse né en 1924 il s'installe aux Etats Unis en 1952
où il fait la connaissance de William Schockley. Il
travaille dans le laboratoire de celui-ci et le quitte
avec 7 autres collègues pour créer Fairchild en 1957.En
1958 Noyce invente le Circuit intégré sur silicium et de
son coté Hoerni met au point la technique de
photo-lithogravure
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diffraction
de la lumière traversant un orifice
Un faisceau
lumineux dont la longueur d'onde λ = 1μm (proche infrarouge) passant
dans un orifice de diamètre d = 1μm aura un angle α de 50° environ . Il
découle de ce phénomène que lorsque la lumière passe à travers les
motifs d'un masque, un manque de netteté des ombres projetées. Pour
éviter ou tout au moins réduire ce phénomène on aura intérêt à
utiliser un rayonnement de faible longueur d'onde qui peut atteindre
λ=0,193 μm (raie du fluorure d'argon)
La
réalisation des masques
La réalisation des masques, leur stabilité dimensionnelle
et de leur positionnement lors de masquages successifs posent des
problèmes considérables. La précision du positionnement
à l'origine n'était pas parfaite, aussi il fallait en tenir compte sur le dimensionnement des
motifs.
Au début, le masque était en verre. Réalisé à
l'échelle 1 il était plaqué sur le wafer ( tranche de silicium )
enduit de résine photosensible. Exposé à la lumière, tous les futurs
circuits intégrés étaient insolés en même temps.
Placer le masque sur le silicium l'endommageait rapidement, les
défauts apparus sur le masque se répétaient à chaque insolation. La
durée de vie d'un masque était de 25 à 50 insolations.
Ajoutons que pour réaliser un circuit intégré, chaque couche
nécessite un masquage. Les premiers circuits nécessitaient 8
masques. Les techniques modernes, qui associent plusieurs millions
voir centaines de millions de transistors dans un circuit,
nécessitent 25 masques , ce sont 500 opérations qui peuvent s'échelonner
sur un mois.
Chaque couche va entraîner une série d'opérations:
nettoyage, séchage, dépôt de résine, cuisson de la résine, insolation,
développement, nettoyage, attaque chimique, dépôt ou diffusion ou
oxydation ou ..., Chaque masquage peut nécessiter 20 opérations.
Actuellement, les masques sont réalisés à l'échelle 5 une optique
ramène le faisceau à la dimension normale mais les circuits sont
réalisés un par un. Le wafer est fixé sur une table X-Y de grande
précision, à positionnement par interférométrie laser qui déplace le
silicium après chaque insolation.
Les masques peuvent être réalisés eux mêmes à l'aide d'un faisceau
d'électron de 1μm de diamètre
(la longueur d'onde associée à une énergie de
10 KeV est de 1Ǻ) les débuts
de cette technique ont été effectués en détournant l'emploi d'un microscope
électronique. La pièce à irradier est fixée sur une table XY de
grande précision positionnée par interférométrie laser. Le faisceau
d'électrons est focalisé à l'aide de lentilles électroniques mais
n'insole la cible que point par point ce qui est lent
Les sources d'insolation
En pratique, les dimensions minimales des motifs sont voisines de la
longueur d'onde du rayonnement utilisé.
La technologie 0,25 μm (taille du motif minimum) est obtenu avec une
source UV de longueur d'onde λ=0,248 μm utilisant du fluorure de
krypton.
Des lasers à fluorure de krypton
peuvent produire un rayonnement de λ=0,193 μm . Il permet
d'obtenir des motifs de 0,13 μm et même 0,09 μm
L'utilisation des UV n'est pas sans poser de problème, les
verres et même le quartz deviennent absorbants, il faut utiliser une
optique en Fluorite CaF2 et même des miroirs métalliques de grande
précision.
Une technique également en cours d'étude consiste à
produire un rayonnement de λ 13,5 nm en éclairant avec un laser une
bille d'étain qui émet alors ce rayonnement mais actuellement la
puissance de l'émission est limité à 10 Watts alors que 100 à 250 W
seraient nécessaires. Les choses se compliquent du fait que le
rayonnement de cette longueur d'onde n'est pas transmis par l'air,
il est donc nécessaire de travailler sous vide. Il devrait être
possible de réaliser des lignes espacées de 10nm
3 - Le dopage du silicium
Pour obtenir du Silicium N on introduit un dopant de valence 5 qui
pourra être de l'Antimoine, du Phosphore, de l'arsenic ou du
Lithium.
Le Silicium P est obtenu par dopage avec un matériau de valence 3
tel que Gallium, Indium, Bore ou Aluminium
Plusieurs techniques sont possibles, le monocristal peut être dopé
au moment de son étirage, il s'agit évidemment d'un dopage uniforme
de tout l'ensemble du monocristal. Ceci est obtenu en introduisant
dans le creuset un mélange de Silicium et de dopant. Cela suppose au
départ pour ces deux matériaux, des températures de fusion voisines
et une solubilité du dopant dans le silicium.
3 - 1 ‑ L'épitaxie
L'épitaxie consiste à faire croître sur du Silicium pur ou déjà
dopé, du silicium dopé différemment. Les plaquettes de Silicium sont
disposées dans un four à atmosphère contrôlée et portées à une
température de 1200°C environ. Un mélange gazeux circule au contact
avec les plaquettes. Ce gaz est un composé chimique du corps à faire
croître contenant notamment, du Silicium, du dopant et de
l'hydrogène. Une réaction chimique se produit et une couche croît
sur le silicium véritable progression du monocristal de base.
L'épaisseur des couches obtenues dépend du temps de chauffage, elles
peuvent atteindre 25 μm.
3 ‑
2 ‑ Diffusion
La
diffusion est associée à la technique de masquage, en effet, pour
permettre une diffusion locale du dopant dans le Silicium, il est
nécessaire de protéger les autres zones.
La plaquette de Silicium est chauffée à 1000°C environ en présence
d'un gaz contenant le dopant. Ce dernier migre dans le Silicium aux
endroits non protégés. Évidemment, la concentration obtenue forte en
surface, décroît avec la profondeur, les zones masquées ne sont pas
entièrement protégées car la migration n'est pas uniquement
perpendiculaire à la surface.
Diffusion du dopant
dans le silicium
Le profil de la
diffusion dépend essentiellement des matériaux en présence et suit
une loi non modifiable.
Profils de
diffusion de dopants dans le silicium
Le dopage par
diffusion présente donc les inconvénients suivants:
- La répartition du dopant subit une loi
non modifiable
- Le dopant diffuse
sous les protections
Toutes les impuretés contenues dans le gaz diffusent dans le
Silicium et pas seulement le dopant
3 - 3 L'implantation ionique
Le
procédé d'implantation ionique consiste à projeter sur le silicium
des ions de dopant. Le dopant est d' abord ionisé puis accéléré par
un champ électrique avec la plaquette de silicium comme cible
(énergie de 30 à 200 keV ) Le faisceau d'ions est modulé et dirigé à
l'aide de lentilles électroniques et de plaques de déflexion. Le
faisceau peut être dirigé avec précision, le masquage devient alors
inutile en outre le contrôle de l'énergie des ions permet une
certaine maîtrise du profil du dopage.
Dans le cas de l'implantation ionique, le masquage n'est pas
nécessaire mais en fait , les commandes qui pilotent les plaques de
déflexion contiennent toutes les informations d'un masque. On parle
communément de masquage électronique. Les informations sont
contenues dans la mémoire de l'ordinateur qui commande la déflexion
du faisceau d'ions.
Cependant, cette technique présente un inconvénient, le dopant en
pénétrant dans le silicium peut créer des dislocations (
irrégularités dans l'organisation cristalline ), un recuit
(chauffage uniforme de la plaquette après implantation) peut palier
cet inconvénient mais il modifie le profil des dopages
En 2007 état de la technique était gravure 90
et 65nm, longueur de canal 45 ou 35 nm, épaisseur de l'oxyde moins
de 4 nm, 7 à 10 niveaux d'interconnexion isolé par 1μm d'oxyde
, 25 masques, 500 opérations s'étalant sur 1 mois
En 2012
Intel sort le 95xx Itanium Poulson
4 ou 8 cœurs. Il travaille à
des fréquences qui vont de 1,7 à 2,5 GHz et permet 6400 Méga Transferts
par seconde, consomme 130 à 170 W réunit
3,1 109
transistors. Gravure
0,032 μm surface de silicium 544 mm2
En 2014 l'industrie des circuits intégrés à produit 250 1018
transistors (250 milliards de milliard de transistors) , 8 milliards
de transistors par seconde
Aux dernières nouvelles (2015) IBM et Intel sont en lutte pour
produire des circuits en gravure 14, 10 et 7 nm
Une grande
partie de cette fiche est réalisée à partir de "Histoire de la
microélectronique" de Philippe Matherat qu'on peut trouver sur le
site;
https://cel.archives-ouvertes.fr/cel-00157199/document