Techniques de fabrication des semi-conducteurs : de la purification du silicium à la fabrication de circuits intégrés

L'aperçu suivant se concentre exclusivement sur la fabrication de semi-conducteurs à base de silicium, le matériau prédominant dans les circuits intégrés modernes. La capacité unique du silicium à former une couche d'oxyde stable le rend idéal pour le patronnage précis des transistors et autres microcomposants.

Silicium

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, principalement sous forme de dioxyde de silicium (SiO₂) — communément connu comme sable de silice. Industrialement, le silicium est extrait en réduisant le SiO₂ avec du carbone dans un four à arc électrique :

SiO₂ + C → CO₂ + Si

Le silicium de grade métallurgique résultant convient pour des applications comme les tôles de transformateur mais ne atteint pas la pureté requise pour les dispositifs semi-conducteurs. Pour atteindre la pureté de grade semi-conducteur, le silicium est d'abord converti en un chlorure — SiCl₄ ou SiHCl₃ — qui peut être purifié par distillation fractionnée. La réduction subséquente avec du zinc ou du magnésium ultra-pur produit une forme « éponge » de silicium, qui est ensuite raffinée davantage. La décomposition thermique de SiHCl₃ sur une tige de silicium polycristallin chauffée en utilisant de l'hydrogène gazeux est une autre voie vers le silicium ultra-pur.

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl₂

Une fois purifié, le silicium polycristallin est fondu dans un creuset en silice fondue, chauffé via un susceptor en graphite à induction ou un chauffe à courant continu haute intensité. Le procédé Czochralski tire alors un monocristal « lingot » depuis la fonte, maintenant l'orientation du réseau cristallin et un diamètre contrôlé. Des dopants comme le phosphore ou le bore sont introduits dans la fonte pour concevoir une conductivité de type p ou n. La chambre de croissance entière fonctionne sous atmosphère inerte pour prévenir la contamination.

Le lingot est meulé à un diamètre précis et tronqué aux extrémités. Il est ensuite tranché en tranches à l'aide d'une scie à pointe diamant. Le meulage et le polissage subséquents produisent des tranches avec une rugosité de surface sub-micronique. Une couche épitaxiale n-type optionnelle peut être déposée thermiquement sur la tranche pour améliorer davantage les performances du dispositif. Ces tranches sont ensuite expédiées aux usines de semi-conducteurs pour la fabrication des dispositifs.

Traitement des semi-conducteurs

La photolithographie est la pierre angulaire du patronnage des semi-conducteurs. Le processus parallélise celui utilisé pour la fabrication de circuits imprimés (PCB) en cuivre, bien qu'avec des températures plus élevées et des tolérances plus serrées. Les étapes sont :

• Appliquer une résine photosensible positive sur la surface de la tranche.
• Faire tourner la tranche pour étaler uniformément la résine.
• Exposer la résine à travers un masque chrome-sur-verre sous lumière ultraviolette.
• Développer la résine exposée dans une solution alcaline, éliminant les régions ramollies.
• Graver la tranche — généralement avec de l'acide fluorhydrique (HF) pour ouvrir des fenêtres dans la couche protectrice de dioxyde de silicium.
• Retirer la résine restante et soumettre la tranche à une diffusion haute température.

L'acide fluorhydrique enlève sélectivement le dioxyde de silicium tout en laissant le silicium intact, créant des fenêtres précises pour la diffusion de dopants. Les dopants sont introduits sous forme gazeuse (ex: POCl₃ pour type n ou B₂O₃ pour type p) dans un four de diffusion opérant au-dessus de 1000 °C. La diffusion ne se produit que par les fenêtres, formant des jonctions PN bien définies.

Après la diffusion de dopants, les étapes de métallisation créent les contacts électriques. La photolithographie est répétée pour patronner les couches métalliques (souvent aluminium ou cuivre) qui interconnectent plusieurs transistors en circuits intégrés. Finalement, la tranche est découpée en puces individuelles, connectées par fil à un cadre de broches, et encapsulées dans des boîtiers.

Points clés

• Le silicium ultra-pur est essentiel pour créer la couche vitreuse de SiO₂ qui sert de résine photolithographique.
• La méthode Czochralski produit des lingots de silicium monocristallin qui sont sciés au diamant en tranches.
• La photolithographie sur silicium miroir la fabrication PCB, utilisant résine photosensible, exposition UV, développement, gravure HF, et diffusion de dopants.
• La diffusion contrôlée de dopants gazeux à haute température forme les régions actives des diodes et transistors.
• Les étapes répétées de lithographie et métallisation permettent l'intégration de milliers de dispositifs sur une seule tranche.

Ressources associées

• Feuille de travail : Conception et fabrication de circuits imprimés