Livret thématique - Microélectronique - CEA · Les progrès des circuits intégrés expliquent ce saut gigan-tesque, qui a ouvert des possibilités nouvelles :-la conception de

> INTRODUCTION

De l’électron à la fabrication des puces 8 > La microélectroniqueDe l’électron à la fabrication des puces 8 > La microélectronique

D E L A R E C H E R C H E

À L’ I N D U S T R I E

> De l’électron à la fabrication des puces

© Commissariat à l’Énergie Atomique, 2006Direction de la communicationBâtiment Siège91191 Gif-sur-Yvette cedex – www.cea.fr

ISSN 1637-5408.

LA RÉVOLUTION TECHNOLOGIQUEUN PEU D’HISTOIRECOMMENT FABRIQUE-T-ONLES CIRCUITS INTÉGRÉS ?LA NANOÉLECTRONIQUE

1 > L’atome2 > La radioactivité3 > L’homme et les rayonnements4 > L’énergie5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire7 > Le cycle du combustible nucléaire8 > La microélectronique9 > Le laser10 > L’imagerie médicale11 > L’astrophysique nucléaire12 > L’hydrogène13 > Le Soleil14 > Les déchets radioactifs15 > Le climat

> Lamicroélectronique8 > Lamicroélectronique

© Commissariat à l’Énergie Atomique, 2006Direction de la communicationBâtiment Siège91191 Gif-sur-Yvette cedex – www.cea.fr

ISSN 1637-5408.

LA COLLECTION

1 > L’atome2 > La radioactivité3 > L’homme et les rayonnements4 > L’énergie5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire7 > Le cycle du combustible nucléaire8 > La microélectronique9 > Le laser10 > L’imagerie médicale11 > L’astrophysique nucléaire12 > L’hydrogène13 > Le Soleil14 > Les déchets radioactifs15 > Le climat

D E L A R E C H E R C H E

À L’ I N D U S T R I E

> INTRODUCTION

De l’électron à la fabrication des puces 8 > La microélectronique

> SOMMAIRE 32

introductionTéléphones mobiles, appareils photo numé-

riques, baladeurs, micro-ordinateurs,consoles de jeux, cartes bancaires, automo-biles: en quelques décennies, les circuits inté-grés ou «puces» ont conquis la plupart de nosobjets quotidiens. Cette invasion n’a pas de précédent dans l’his-toire des technologies. Elle s’explique par lerythme d’innovation accéléré de l’industriemicroélectronique : celle-ci n’a cessé de pro-duire des transistors plus petits, donc des cir-cuits intégrés plus puissants et plus performants.En 1971, le processeur 4004 d’Intel contenaitquelque 2 300 transistors. En 2006, laperspective de puces à 1 milliard de transis-tors se rapproche. Cet extraordinaire condenséd’intelligence coûte de moins en moins cher :en 1973, il fallait débourser le prix d’un appar-tement pour fabriquer 1 million de transistors;aujourd’hui, le prix d’un post-it.

“Toujours plus puissantes et moins chères,les puces électroniques pourront-ellescontinuer à se miniaturiser ?”

Pourtant, l’horizon de l’industrie microélectro-nique est loin d’être dégagé. Celle-ci atteindrabientôt des dimensions où les transistors serontextrêmement difficiles à fabriquer et à faire fonc-tionner. Un seul exemple : l’épaisseur de cer-tains isolants (oxydes) pourrait ne pas dépasser1,5nm, soit 4 à 5 molécules d’oxyde !Des programmes de recherche accompagnésde lourds investissements mobilisent lesindustriels, les laboratoires de recherche etles institutionnels. Ceci, notamment, dans larégion grenobloise, pôle de microélectroniqued’envergure mondiale. Elle accueille le Léti(Laboratoire d’électronique et de technologiede l’information) du CEA, et le site de Crollesoù ST Microelectronics, Philips et Freescale unis-sent leurs efforts. Enfin, depuis 2006, Grenobleregroupe 4 000 personnes au sein de Minatec,principal pôle européen d’innovation en microet nanotechnologies.

LA RÉVOLUTIONTECHNOLOGIQUE 4Démocratiserla microélectronique 5Des calculs plus complexes 6Des produits et servicesinnovants 7

UN PEU D’HISTOIRE... 8La diode, premier dispositifélectronique 9Du transistor au circuitintégré 10Les circuits intégrés actuels 11

COMMENT FABRIQUE-T-ONLES CIRCUITS INTÉGRÉS ? 13Des usines toujours pluscoûteuses 14La salle blanche, un milieuextra-naturel 15La fabrication collective 16Les opérations élémentaires 17

LA NANOÉLECTRONIQUE 18Top down et bottom up 19Porte ouverte sur lesnanotechnologies 19

> INTRODUCTION 3

Lam

icro

élec

tron

ique

Observation au microscope optique d’une plaque de silicium.


Conception : Spécifique - Photo de couverture : P. STROPPA/CEA - Illustrations : YUVANOE - Réalisation et impression : Imprimerie Sénécaut - 09/2006

©CEA

©CEA

La microélectronique,grâce à saminiaturisationet à ses hautesperformances,permet de nouvellesapplications.Par exemple, enmédecine avec cettepuce à ADN (à droite).


> UNE RÉVOLUTION TECHNOLOGIQUE 54

planifier des années à l’avance leurs investis-sements et leurs programmes de recherche.Car pour tenir ce rythme, il faut sans cesse toutremettre en cause : les matériaux utilisés pourles circuits, les connexions électriques et lesisolants ; les architectures des circuits, qui repré-sentent un élément déterminant de la perfor-mance finale ; les machines de production, dontcertaines coûtent plusieurs millions d’euros ;la taille des tranches de silicium sur lesquellesles circuits sont réalisés (200 mm, puis300 mm), et avec elles toutes les méthodes defabrication.

“Sur un circuit en technologie 90 nm,les gravures sont mille fois plus finesque l’épaisseur d’un cheveu.”

40 ANS DE PROGRÈS CONTINUSET DE NOUVEAUX PRODUITS ET SERVICESDÉTERMINENT L’ÈRE DE LA MINIATURISATION.

DÉMOCRATISERLA MICROÉLECTRONIQUELa microélectronique n’est pas un métier établiet stabilisé : le nombre de transistors par unitéde surface quadruple tous les trois ans, et lecoût des circuits est divisé par deux tous les18 mois environ, notamment grâce à la fabri-cation collective de centaines de puces surchaque plaquette de silicium. Cette courbe de croissance des performancesavait été décrite dès 1965 par Gordon Moore,cofondateur de la société Intel. Elle s’estconfirmée avec une telle exactitude qu’elleest devenue la « loi de Moore » pour tous lesindustriels du secteur, qui s’en inspirent pour


©D

enis

Dur

et/C

EA

La révolutiontechnologique

LOI DE MOORE


> UNE RÉVOLUTION TECHNOLOGIQUE 76 > UNE RÉVOLUTION TECHNOLOGIQUE

Pour suivre cette course à la performance,l’indicateur le plus significatif est la finesse de gravure. Elle était exprimée initialement en

microns (millionièmes de mètre):0,25 micron, puis 0,18 micron,puis 0,13 micron… Depuis ledébut des années 2000, l’unitéla plus utilisée est le nanomètre

(milliardième de mètre). Un site de productioncomme celui de Crolles fabrique des circuitsde 90 nm, soit des gravures 1 000 fois plusfines que l’épaisseur d’un cheveu.Ces prouesses technologiques ont permis lachute des coûts, l’envolée des performances etla démocratisation de la microélectronique,avec deux conséquences : des puissances decalcul toujours accrues, des nouveaux produitset services pour le grand public.

DES CALCULS PLUS COMPLEXES,POUR CONCEVOIR, SIMULER,MODÉLISER…Les scientifiques de l’après-guerre effectuaientleurs calculs sur des ordinateurs qui occupaientdes pièces entières, et dont la performance nedépassait pas celle d’une calculette d’aujourd’hui.Ceux de ce début de XXIe siècle disposent desupercalculateurs dont la performance atteint letéraflop. Les progrès des circuits intégrés

expliquent ce saut gigan-tesque, qui a ouvert des

possibilités nouvelles :-la conception de produits ou de systèmes com-plexes : elle peut s’effectuer entièrement sur ordi-nateur. En fonction des conditions d’utilisationprévues, la machine calcule le comportement desmatériaux, les dimensions des composants, leuragencement dans l’espace, et trace les plans.- la modélisation de phénomènes : le compor-tement d’un avion de ligne dans des turbulences

ou l’évolution de la météo sur cinq jours dépen-dent d’une multitude de paramètres. Ils peu-vent être modélisés, c’est-à-dire représentés parune série d’opérations complexes dont le résultatest très voisin du phénomène réel- la simulation numérique : il s’agit cette fois defaire «tourner» les modèles, en indiquant parexemple le poids de l’avion, sa vitesse, la forceet la direction des turbulences ; l’ordinateur préditalors son comportement en vol. En conception,la simulation numérique permet par exemplede « tester » un moteur avant de réaliser un pro-totype : comment tiendra-t-il à l’échauffement,aux vibrations de la route ou à des chocs ?

DES PRODUITS ET SERVICESINNOVANTSLa puissance de calcul des circuits intégréspermet de proposer au grand public des équi-pements performants, faciles à utiliser et richesen fonctions : téléphone mobile, lecteur DVD,télévision numérique, baladeur MP3, appareilphoto numérique, carte bancaire… En effet,les puces gèrent à la fois les fonctions de calculet les interfaces (clavier, afficheur, prise USB…)qui rendent l’utilisation simple et intuitive. ©

CEA

“La puissance des supercalculateurs actuelsatteint 1 000milliards d’opérations par seconde…grâce aux progrès de la microélectronique.”

ENIAC, le premier ordinateur. Tera, le nouveau supercalculateur.

1 000 milliardsd’opérations par seconde.

©CEA

ARCHITECTURE INTERNE D’UN BALADEUR MP3

De plus, l’encombrement et le prix des produitsdiminuent régulièrement : le consommateur estgagnant sur tous les tableaux. Le téléphone mobile offre une parfaite illustra-tion de ce phénomène. Les premiers appareils,fort encombrants, ne savaient «que» télépho-ner. Les plus récents, ultra légers, proposentdes jeux, des prises de vues haute définition,la connexion à internet, pour un prix équiva-lent ou inférieur.Il faut noter enfin que la plupart des appareilscomportent non pas un, mais plusieurs circuitsintégrés (microprocesseurs, mémoires) dontl’association bien pensée contribue auxperformances de l’ensemble.

“Des produits grandpublic plus performantsoffrent plus de fonctions,ils sont moinsencombrantset moins chers.”

La gravurereprésentela largeurdes motifssculptés dansle silicium.

©Philips

©C.D

UPO

NT

/CEA

> UN PEU D’HISTOIRE...


98

LA DIODE, PREMIER DISPOSITIFÉLECTRONIQUEL’histoire de l’électronique commence en 1904avec l’invention de la diode, utilisée dans lespostes de radio. Une diode, c’est un dispositifsous vide comprenant un filament émetteurd’électrons et une plaque, collectrice d’élec-trons lorsqu’elle est polarisée positivement (lesélectrons ont une charge négative). Il suffit defaire varier la tension (positive ou négative) dela plaque pour permettre ou interrompre lepassage du courant.Dès 1907 apparaît la triode, dans laquelle unegrille est ajoutée entre le filament et la plaque.Cette grille joue le rôle de « modulateur d’élec-trons » : selon sa polarisation, elle les bloque ouaccélère leur passage (amplification du courant).Dans les années 40, les triodes et autres tubesà vide sont utilisés dans les tout premiersordinateurs pour calculer plus rapidement qu’àla main. Les nombres et les opérations sontcodés en mode binaire, à l’aide de 0 ou de 1 :par exemple, le 1 correspond au passage ducourant électrique, le 0 à son blocage. Mais

pour effectuer des calculs complexes, demandéspar exemple par les physiciens, il faut multi-plier les tubes à vide ; or ceux-ci sont volumi-neux, chauffent beaucoup et « claquent » faci-lement. Ce manque de fiabilité freine le déve-loppement de l’informatique.

EN UN SIÈCLE, LA MINIATURISATION A PERMISLE PASSAGE DU TUBE À VIDE AU TRANSISTORD’UN MICROMÈTRE CARRÉ.

Diodes à vide et transistors (en haut) de 1965.

©Art

echn

ique

©CEA

©D

R

1904John Alexandre Fleming, ingénieuranglais, invente la diode. Ce premierdispositif électronique est utilisédans les postes de radio. En 1907,Lee de Forest, chercheuraméricain, améliore le principe eninventant la triode.

1954Texas Instrument fabrique lepremier transistor en silicium. Enune décennie, leur taille, qui étaitcelle d’un dé à jouer, va se réduireà celle d’un grain de sel. Mais lamultiplication des fils deconnexion freine le développementde circuits complexes.

L’histoire de la microélectronique en quelques

D’OÙ VIENT LE MOT « BUG » ?Le mot anglais «bug» peut se traduire par «insecte» ou«bestiole». Alors, quel rapport avec les «bugs» de noslogiciels? Très simple… Sur l’ENIAC, premier calculateurautomatique au monde mis au point en 1946 àl’université de Pennsylvanie, l’une des grandes causesde panne était l’atterrissage de petits papillons sur les

connexions électriques. Celles-ci étaient d’autant plusnombreuses que l’ENIAC était un monstre de 30 tonnes,occupant 72 m2 au sol et comptant plus de 17 000 tubesà vide.C’est ainsi que les bugs ont fait leur entrée dansle monde de l’informatique…

1948John Bardeen, Walter Brattain etWilliam Shockley, trois physiciensdes laboratoires Bell (Etats-Unis)réalisent le premier transistor.Fiabilité, faible encombrement,consommation réduite : la voie dela miniaturisation est ouverte.Cette découverte majeure leurvaudra le prix Nobel de physiqueen 1956.Un peu d’histoire...

> UN PEU D’HISTOIRE...


> UN PEU D’HISTOIRE... 1110

utilisé dans de nouveaux postes de radio auxquelsil donne son nom, et dans des ordinateurs.Pourtant, un nouvel obstacle se dresserapidement : plus les transistors sont nombreux,plus il faut de fils de cuivre soudés pour lesinterconnecter, d’où un risque de panne élevé. En 1959, l’invention du circuit intégré résoutle problème. Les transistors sont réalisés direc-tement à la surface du silicium, leursconnexions sont fabriquées par dépôt decouches métalliques sur cette surface.

Rien ne s’oppose plus à la fabrication dedispositifs toujours plus complexes, associanttransistors, diodes, résistances et condensateurs.Le tout premier circuit intégré compte sixtransistors. Par la suite, ces dispositifs necesseront de se miniaturiser et de se densifier.

DU TRANSISTOR AU CIRCUITINTÉGRÉEn 1948, John Bardeen, Walter Brattain etWilliam Shockley , trois physiciens américainsinventent le transistor bipolaire et ouvrent ainsil’ère de la microélectronique. Le transistor bipolaire comprend un émetteurd’électrons, un collecteur et un dispositif demodulation appelé base. Le déplacement desélectrons ne s’effectue plus dans le vide maisdans un matériau solide, le semi-conducteuridont on contrôle la capacité àconduire les courants d’élec-trons. La fiabilité est considéra-blement améliorée.De plus, le transistor est moinsencombrant que le tube à vide.Et en quelques années, sa taille va passer de celled’un dé à jouer à celle d’un grain de sel ! Il est

“Avec le transistor, les électronscirculent dans un matériau solideet non plus dans le vide.”

La plupart des transistors sont des MOS (pourMétal, Oxyde, Semi-conducteur), une techno-logie développée dans les années 1970 : ellepermet de réaliser des transistors qui consom-ment moins et de faciliter l’intégration desrésistances, autres composants importants descircuits intégrés.

Dont le matériauest soit dugermaniumsoit du siliciummonocristallindopé,par exemple.

COMMENT FONCTIONNEUN TRANSISTOR MOS ?

Un transistor MOS comprendune source et un drain, entre lesquelsles électrons peuvent circuler viaun canal de conduction.Ce canal fonctionne commeun interrupteur, en fonctionde la charge électrique de la grille.Selon la polarité de cette grille, le canalde conduction est ouvert ou fermé.La performance du transistor dépendprincipalement de la taille de la grille :plus celle-ci est petite, moins les électronsont de chemin à parcourir dans le canal,plus le système est rapide.

L’histoire de la microélectronique en quelques dates.

1964Premier circuit intégré du CEA/Léti.

1960Aux Etats-Unis, le lancement duprogramme Apollo, doté de25milliards de dollars, donneun formidable coupd’accélérateur aux recherchessur les calculateurs et lescircuits intégrés.

1959Jack Kilby et Robert Noyce, deuxchercheurs américains, réalisentle premier circuit intégré (sixtransistors). Ils ont notammentrésolu les problèmes de souduredes connexions : celles-ci sontréalisées par dépôt de couchesmétalliques sur le silicium.

1974L’ingénieur français RolandMoréno invente la carte à puce.

Laboratoire de recherche technologique des années 1980.

LES CIRCUITS INTÉGRÉS ACTUELS En 2005, un microprocesseur (le circuit intégréle plus complexe) est un morceau de plaque desilicium carré d’environ 2,5 cm de côté. Il peutcomporter plusieurs centaines de millions de com-posants. Il est enfermé dans un boîtier protec-teur muni de « pattes » (d’où le nom de « puce»)pour assurer les connexions avec les autresorganes de l’appareil dans lequel il s’insère.

©D

R

©CEA

©CEA

L’histoire de la microélectronique en quelques dates.


> UN PEU D’HISTOIRE...12

La taille des circuits intégrés augmente réguliè-rement. Celle des plaques de silicium sur les-quelles ces circuits sont fabriqués augmenteégalement, pour faire tenir un même nombre depuces sur chaque plaque. Ces vingt dernièresannées, l’industrie microélectronique a utilisé suc-cessivement des lingots de silicium de 100mmde diamètre, puis 200 mm, puis 300mm.Le silicium n’est pas utilisé à l’état pur : il est« dopé » par l’ajout en très faibles quantités

d’ions étrangers (arsenic, bore, phosphore) quiguident et facilitent le passage du courant.Le circuit peut être gravé dans du silicium massifou sur une couche mince de quelques centainesde nanomètres déposée sur un isolant : le SOI,qui permet de réaliser des circuitsplus rapides et moins gourmandsen énergie, est de plus en plus utilisé. Lemeilleur procédé de fabrication a été inventéen 1991 par un chercheur du CEA.

1996Le processeur Intel Pentium Procompte 5,5 millions detransistors. Il sera suivi en 1999d’Intel Pentium III (9,5 millions)et en 2002 d’Intel Pentium IV (55millions), contre 2 300transistors dans le tout premiermicroprocesseur Intel, le 4004sorti en 1971.

1991Michel Bruel, chercheur auCEA/Léti, invente le procédéImprove permettant de fabriquerle silicium sur isolant « SOI »avec une productivité décuplée.Le SOI va devenir un matériau deréférence pour fabriquer descircuits rapides, peu gourmandsen énergie.

2003Premières productionsindustrielles de puces sur destranches de silicium de 300 mmde diamètre.

pour Siliciumsur isolant

De l’électron à la fabrication des puces… 8 > La microélectronique

13

fabrique-t-on lescircuits intégrés ?

PRODUIRE « L’INFINIMENT PETIT »NÉCESSITE DES USINES GIGANTESQUES.

©P.

STR

OPPA

/CEA

Commentfabrique-t-on lescircuits intégrés ?

“Un microprocesseuractuel compte

plusieurs centainesde millions de

composants surun carré de 2,5 cm

de côté.”©CEA

> COMMENT FABRIQUE-T-ON LES CIRCUITS INTÉGRÉS ?


15


> COMMENT FABRIQUE-T-ON LES CIRCUITS INTÉGRÉS ?14

Une salle blanche(Laboratoired’électroniqueet de technologiede l’information)au CEA Grenoble.

DES USINES TOUJOURSPLUS COÛTEUSESFabriquer un circuit intégré, c’est réaliser surquelques centimètres carrés de surface etquelques microns d’épaisseur un assemblagede millions de composants interconnectés ; ceci,simultanément, pour des centaines d’exem-plaires identiques. Plus les circuits intégrés se miniaturisent, plusles usines qui les fabriquent coûtent cher. Une« fab » (unité de production) coûte à peu prèsle même prix que 300 Airbus A320 ! Ceci pourplusieurs raisons :-plus on fait petit, plus les environnements detravail doivent être propres pour éviter descontaminations fatales aux circuits : les exi-gences de propreté des salles blanches ne ces-sent d’augmenter ;

-plus on fait petit, plus les machines de pro-duction sont précises, fiables, difficiles àmettre au point et à entretenir ; de plus, ellesne sont fabriquées qu’en petites séries ;

-plus on fait petit, plus il faut recourir à desmatériaux spéciaux, à des solutions techniquescomplexes et à des étapes supplémentairesde fabrication ; aujourd’hui, on en compteenviron 200 par circuit.

Malgré ce déploiement d’efforts, le rendementid’une chaîne de fabrica-tion ne dépasse pas 20%lors du lancement d’unenouvelle production. Les efforts des équipes defabrication feront rapidement passer ce chiffreà 80, voire 90 %.

LA SALLE BLANCHE, UN MILIEUEXTRA-NATURELA l’échelle d’une puce, un minuscule grain depoussière représente un rocher qui bouche leschemins creusés pour la circulation des élec-trons. C’est pourquoi la fabrication a lieu en«salle blanche». L’air est filtré et entièrement

renouvelé 10 foispar minute. Ilcontient 100 000

à 1 million de fois moins de poussières que l’airextérieur. Les opérateurs portent en perma-nence une combinaison qui les couvre presquedes pieds à la tête, et retient les particulesorganiques et les poussières qu’ils génèrentnaturellement.De plus, de nombreuses opérations de nettoyagedes tranches sont menées entre les étapes defabrication. Au total, elles représentent presqueun tiers du temps total de process.

“L’air des salles blanches contient 100 000à 1 million de fois moins de poussièresque l’air extérieur.”

“Le prix d’une unité de productionéquivaut à celui de 300 Airbus A320.”

local où l’humidité, la température,l’eau, les produits chimiques sontrigoureusement contrôlés.

nombre de pucesfonctionnelles sur lenombre de puces produites.

©P.

STR

OPPA

/CEA

©D

R

CAO : DES VILLES À L’ÉCHELLEDU CENTIMÈTREImpossible de concevoir un circuit de plusieursmillions d’éléments sans l’aide de l’ordinateur :tout concepteur de puces recourt à la CAO pourdéterminer les principales fonctions, puiser desmodules dans des bibliothèques informatisées,arranger ces modules les uns par rapport auxautres, simuler le fonctionnement, etc. L’exerciceest long, difficile et incroyablement minutieux :en imaginant qu’un micro-processeurde 100 millions detransistors ait la taille d’uncarré de 6 km de côté(superficie d’une villede 100 000 habitants),chaque isolant de grille detransistor aurait une épaisseurde seulement un millimètre !Usine de l’alliance entre STMicroelectronics, Freescale

et Philips, à Crolles (Isère).

> COMMENT FABRIQUE-T-ON LES CIRCUITS INTÉGRÉS ?


17


> COMMENT FABRIQUE-T-ON LES CIRCUITS INTÉGRÉS ?16

“La fabrication collective par centainesd’exemplaires fait chuter le coût unitairedes puces.”

LA FABRICATION COLLECTIVE,UN ATOUT ESSENTIELLe matériau de base du circuit intégré est le silicium,élément chimique le plus répandu sur terre. Extraitdu sable par réduction, il est cristallisé sous formede barreaux de 20 ou 30 cm de diamètre, ensuitesciés en tranches de moins d’un millimètre d’épais-seur qui sont polies jusqu’à obtenir des surfaces lissesà 0,5 nanomètre près. C’est sur cette tranche que des centaines de pucessont fabriquées simultanément, grâce à la répéti-tion ou la combinaison d’opérations élémentaires:traitement thermique, dépôts, photolithographie,gravure et dopage. Cette fabrication collective, qui fait chuter les coûtsunitaires, est l’un des atouts majeurs de l’indus-trie microélectronique. Elle explique pourquoi lesindustriels des microsystèmes cherchent à fabri-quer leurs produits avec les mêmes technologies.Mais elle durcit aussi les exigences de production:une erreur de manipulation, quelques secondes enplus ou en moins et ce sont plusieurs centaines decircuits qui finissent à la poubelle…

Barreau de silicium, 300 mm.

©D

R

LE TRAITEMENTTHERMIQUERéalisé dans des foursà des températures de800 à 1200°C, il peutservir à réaliser descouches d’oxydes, àréarranger des réseauxcristallins ou à effec-tuer certains dopages.

LA PHOTOLITHOGRAPHIEEtape-clé, elle consiste à reproduiredans une résine photosensible le dessindes circuits à réaliser. Cette résine estdéposée sur le silicium. La lumière d’unesource lumineuse de très faible longueurd’onde (UV ou inférieure) y projettel’image d’un masque. Plus la résolutionoptique est poussée, plus la miniaturi-sation des circuits peut être améliorée.

LA GRAVUREA l’inverse du dépôt, la gra-vure enlève de la matière à laplaquette, toujours dans lebut de réaliser un motif. Deuxvoies principales : la gravuredite «humide», qui utilisedes réactifs liquides, et lagravure sèche (ou gravureplasma) qui emploie des réac-tifs gazeux.

LE DOPAGEPour introduire au cœur dusilicium les atomes qui vontmodifier sa conductivité, lesplaquettes sont chaufféesentre 800 et 1100°C dansdes fours, en présence du gazdopant, ou bombardées àtravers un masque par unfaisceau d’ions accéléré.

LES OPÉRATIONS ÉLÉMENTAIRES

LES DÉPÔTSIls apportent à la surfacedu silicium des couchesconductrices ou isolantes :oxydes, nitrures, siliciures,tungstène, aluminium... Ilssont effectués par diversestechniques faisant appel àdes gaz ou à des liquides :dépôt en phase vapeur(CVD), par pulvérisation,par épitaxie etc.

© P. STROPPA / CEA

© P. STROPPA / CEA© P. STROPPA / CEA

© CEA

© P. STROPPA / CEA

LES OPÉRATIONS ÉLÉMENTAIRES

> LA NANOÉLECTRONIQUE

De l’électron à la fabrication des puces 8 > La microélectroniqueDe l’électron à la fabrication des puces… 8 > La microélectronique

1918

LE “TOP DOWN“ ET LE “BOTTOM UP”L’avènement de la nanoélectronique s’accom-pagne de défis techniques si ambitieux qu’ilspourraient dresser un mur infranchissable faceau puissant courant d’innovation qui irriguecette industrie. Comment réaliser des traits degravure de quelques nanomètres de largeur ?Comment isoler efficacement des pistes élec-triques avec des matériaux dont l’épaisseur nedépasse pas quelques couches atomiques ?Comment réaliser des transistors dans lesquelsne transite plus qu’une poignée d’électrons ? Deux approches sont menées en parallèle poursurmonter ces obstacles :- la voie « top down » : elle consiste à pousserjusqu’à ses limites extrêmes la miniaturisationdu transistor MOS, dans la continuité des tra-vaux des 40 dernières années ;

- la voie « bottom up » : il s’agit cette fois d’as-sembler la matière atome par atome, pourconstruire des molécules que l’on intègreensuite dans des transistors d’une conceptionentièrement nouvelle. Cette voie fait appel àdes connaissances fondamentales de physiqueet de chimie, disciplines à laquelle la micro-électronique doit s’ouvrir.

AU CARREFOUR DE LA PHYSIQUE ET DE LA CHIMIE,UN NOUVEAU DÉFI POUR LA MICROÉLECTRONIQUEAPPARAÎT ET SERA PORTEUR DE DÉCOUVERTES,D’APPLICATIONS ET D’EMPLOIS.

PORTE OUVERTESUR LES NANOTECHNOLOGIESAutre évolution majeure, la microélectroniqueva interférer de plus en plus avec le monde desmicro et nanosystèmes : accéléromètres pourairbags, vêtements communicants, gélulescaméras permettant d’introduire dans l’orga-nisme un micro-camescope, biopuces pour lesanalyses biologiques, laboratoire d’analyse surpuce…

Ces dispositifs associeront des capteurs et despuces, indispensables au traitement des donnéesrecueillies. Leur fabrication fera nécessairementappel aux technologies microélectroniques,pour tenir les objectifs de miniaturisation et decoût. Un autre croisement de cultures et demétiers se prépare : celui entre électronique etsystèmes à l’échelle micro et nano.

©Pho

toD

isc

“Il est actuellement possible d’assemblerla matière atome par atome, pourconstruire des transistors d’une conceptionentièrement nouvelle.”

Biochip LabPM.

Nanotube de carbone.

©CEA

©CEA

La nanoélectronique

Documents

Livret thématique - Microélectronique - CEA · Les progrès des circuits intégrés expliquent ce saut gigan-tesque, qui a ouvert des possibilités nouvelles :-la conception de