Fabrication des dispositifs à semi-conducteurs

Lafabrication des dispositifs à semi-conducteurenglobe les différentes opérations permettant l'élaboration decomposants électroniquesbasés sur des matériauxsemi-conducteurs. Entrent dans cette catégorie decomposants à semi-conducteur, lescomposants discretsqui n'ont qu'une seule fonction comme lesdiodeset lestransistors, et lescircuits intégrésplus complexes, intégrant plusieurs composants, jusqu'à des milliards, dans le mêmeboîtier. Les circuits intégrés les plus courants dans les objets de tous les jours sont lesmicroprocesseurs, lesmicrocontrôleurset les puces de mémoire comme lesmémoires flashou lesmémoires vives dynamiques.
On peut également citer parmi les dispositifs semi-conducteurs lesMEMS, réalisant en plus de fonctions électriques, des fonctionsmécaniqueset lesMOEMS, ajoutant également des fonctionsoptiques. Ces dispositifs utilisent les procédés standards demicroélectroniquepour des raisons de coûts d'investissement, ou bien utilisent des procédés spécifiques (lithographie électronique SCALPEL IPL EBL SPM, outils à champ proche AFM NIL ou µCP).
La fabrication est réalisée soit par les IDM (Integrated Device Manufacturer) qui conçoivent et fabriquent les circuits, commeIntelouSTMicroelectronics, ou par des fonderies commeTSMCouGlobalFoundries, qui fabriquent à partir des plans de leurs clients. Ceux-ci sont des entreprises commeNVIDIAouApple, appelées en anglaisfabless, spécialisées dans la seule conception électronique.
La fabrication de ces circuits nécessite de multiples procédés physico-chimiques, comme laphotolithographie, lapassivation, l'oxydation thermique, ledopage, la métallisation et lagravure, étapes au cours desquelles le circuit est réalisé pas à pas sur un disque de matériau semi-conducteur, appelé lewafer. Le matériau le plus courant est lesilicium, mais il en existeune multitudepour des applications spécifiques. Toutes ces opérations sont réalisées dans un environnement très contrôlé, exempt de toute poussière et hermétique, appelésalle blanche. Le processus de fabrication complet prend du temps, du début jusqu’à la mise en boîtier, de l'ordre de 8 semaines, voire 18 semainespour les procédés avancés (14/10/7/5 nm).
La technique delithographie+gravureest le procédé le plus répandu pour la réalisation de circuits semi-conducteurs. La lithographie consiste à altérer une résine sensible par une source lumineuse à travers un masque. Laphotolithographieest le procédé historique utilisant un rayonnement lumineux et une résine photosensible. Avec la miniaturisation croissante, les techniques ont évolué vers l'utilisation de rayonnement moins sujet à la diffraction : lithographie UV, UV profond (Deep UV ou DUV),extrême UV, rayons X,lithographie à faisceau d'électrons, lithographie ionique (FIB), lithographie champ proche (STM/AFM).
Larésineutilisée dépend essentiellement du type de rayonnement utilisé, on distingue deux types : les résines positives (les parties insolées disparaissent après révélation), et les résines négatives. La résine est généralement déposée parenduction centrifuge(ou spin coating en anglais).
Lagravurepermet le transfert des motifs imprimés dans la résine. On distingue les transferts soustractifs (gravure humide généralementisotrope,gravure sèchepar érosion/sputtering/pulvérisation cathodique,gravure ionique réactive) et les transferts additifs (lift-off, croissance électrolytique).
Les matériaux semi-conducteurs requièrent une grande qualitécristalline, c’est-à-dire qu'il faut le moins d'impuretés possible. Pour obtenir cette grande qualité, une méthode utilisée est de réaliser des couches de matériaux semi-conducteurs sousultravide(1×10Torr). Ce genre de vide est obtenu dans un bâti d'épitaxie par jets moléculaires. Ce bâti est en général constitué de 3 chambres dans lequel le vide est amélioré d'une chambre à l'autre grâce à des pompes de plus en plus élaborées (pompe à membrane,pompe turbomoléculaire, pompe ionique, filament de titane). C'est donc la dernière chambre, qui est la chambre de croissance qui possède le meilleur vide. Dans cette chambre, le support qui va servir à réaliser lecomposant(dans le cas d'unediode laser, ce peut être un support deGaSb), fait face à diverses cellules remplies d'éléments servant à réaliser des semi-conducteurs (éléments III ou V dutableau de Mendeleïev, par exemple). Ces cellules sont fortement chauffées pour que le matériau puisse être envoyé sur le support sousforme gazeuse. C'est donc pour cela que l'ultravide est nécessaire : la particule envoyée sur le support n'interagira pas avec une autre molécule parasite.
La technique defaisceaux d'ions focalisés(FIB pourFocused Ion Beam) utilise une source d'ions ou d'électrons pour la gravure ou le dépôt métallique. Des déflecteurs et lentilles électrostatiques permettent de diriger le faisceau de manière à effectuer une écriture séquentielle (par exemple pour unprototypage rapide). Lors de l'émission d'électrons, une réaction chimique se produit permettant l'ionisation du matériau (EBL/FEG pour Field Emission Gun). L'émission ionique se fait par un dispositif appelé LMIS (Liquid Metal Ion Source). Ces procédés permettent d'atteindre des finesses de gravure de l'ordre de 10 nm.