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Microélectronique : Technologie de fabrication des Circuits Intégré par Julien

Microélectronique : Technologie de fabrication des Circuits Intégré par Julien BONY et Victor BOSSENNEC pour le département GEii de L'IUTB Villeurbanne et Developpez. com 1 M i c r o é l e c t r on i q u e : T e c hno l o g i e d e f a b r i c a t i o n d e s c i r c u i t s i n t é g r é s T a b l e d e s m a t i è r e s : I . . I n t r o d u c t i o n 3 I I . . L A to m e 4 1 ) ) S tru c tu re 4 2 ) ) Th é o ri es - E n erg i es 5 II I . S tru c tu res Cri s ta l l i n es 6 1 ) ) L i a i s o n Co v a l en te 6 2 ) ) B a n d e d é n erg i e 7 3 ) ) C o n d u c t e u r / I s o l a n t 7 4 ) ) S e m i - c o n d u c t e u r p u r o u i n t r i n s è q u e 8 5 ) S em i - c o n d u c teu rs d o p é s 8 I V . Fa b ri c a ti o n d es s em i - c o n d u c teu rs 1 0 1 ) ) S i t e d e p r o d u c t i o n 1 0 2 ) ) L a f a b r i c a t i o n d e s c i r c u i t s i n t é g r é s 1 0 3 ) ) E x e m p l e : r é a l i s a t i o n d u n e d i o d e 2 0 V . Rem erc i em en t 2 2 I. I n t r odu c t i o n Aujourd'hui les Circuits Intégrés sont incontournables. On les trouvent 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 complexe et avec une mise en oeuvre simplifiée. Les Circuits Intégrés sont des composants microélectronique qui ont vu leur developpement prendre son 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 au final d'obtenir des composants élementaires 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 cablé un montage à la main, avant que les premier prototypes sur silicium soit réalisés. Kilby reçus le prix Nobel de physique en 2000. Le premier Circuit Intégré De nos jours les fondeurs tels qu'Intel, AMD ou VIA fabrique des microproceseurs 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 inférieur à 200 mm². Le premier processeur : l'intel 4004 avec 23 00 transistor pour 1 4 mm² Un processeur actuel : le Conroe d'Intel avec 291 millions de transistor pour 1 44 mm² II. L'atome 1) 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 leurs noms l’indiquent 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. A 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 ! 2) T h é o r i e s - E n e r g i e s 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). Electron excité Emission de photons Emission 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 partagé entre deux sous-couches comportant 2 et 6 électrons ●Couche 3 ou M : 18 électrons partagé 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. 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 2é sous-couche) d’énergie E3 appelés électrons de valence. Cette couche est appelée couche de valence. Atome de silicium (Si) 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. S t r u c t u r e s C r i s t a ll i n e s 1) L i a i s o n C ov a l e n t e 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 chaques atomes 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. 2) B a nd e d ’ é n e r g i e 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. Energies des 1 ères orbites d’ atomes adj acents 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 uploads/Industriel/ circuit-integre.pdf