Chapitre I - Introduction À La Microélectronique [PDF]

Zitiervorschau

Chapitre I Introduction à la microélectronique 1. Introduction : L’électronique est une discipline née de la physique et dédiée à la manipulation des signaux électriques. Elle permet, au moyen de divers éléments appelés « composants », de construire des appareils capables de gérer ces signaux électriques dans le but de transmettre ou de recevoir des informations. La microélectronique désigne l’ensemble des technologies de fabrication de composants, qui utilisent des courants électriques pour transmettre, traiter ou stocker des informations, à l'échelle micrométrique. Elle est en grande partie à l’origine des formidables progrès réalisés ces dernières décennies dans les domaines de l’informatique, des télécommunications et de l’imagerie... 2. Circuit intégré (CI): 2.1. Définition : Retrouvé parfois sous la dénomination puce électronique, il s’agit d’un élément semiconducteur souvent en silicium pouvant contenir des milliers de composants électroniques miniaturisés : résistances, condensateurs, diodes et transistors. Les circuits intégrés modernes sont de plus en plus petits et contiennent de plus en plus d’information. Le circuit est monté sur un boîtier souvent rectangulaire (Dual Inline package) équipé sur un ou plusieurs côtés voire sur une face, de « pattes » (appelées aussi broches ou pins) permettant d'établir les connexions électriques avec l'extérieur du boîtier. Sur le boîtier peuvent être peint : le

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logo du fabricant, une référence qui permet d'identifier le composant, un code correspondant à des variantes ou révisions, la date de fabrication (année et semaine).

Évolution du brochage des circuits intégrés 2.2. Bref historique : • 1948 : Invention du transistor aux Laboratoires Bell (États-Unis) par les Américains J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley. • 1955 : Réalisation industrielle du transistor. • 1958 : Premier circuit intégré (par J. S. Kilby, États-Unis), qui comportait, dans un même bloc de silicium, un transistor, quatre diodes et quelques résistances. • 1959 : Mise au point de la technologie « planar1 » (équipe du Dr Noyce, société Fairchild, États-Unis). • 1961 : Premier circuit intégré « planar » (société Fairchild, États-Unis). • 1962 : Premier transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor). • 1964 : Premier circuit intégré linéaire (5 transistors, société Fairchild, Etats-Unis). Premier ordinateur utilisant des circuits intégrés (IBM 360). • 1969 : Mise au point aux Laboratoires Bell (États-Unis) du CCD (Charge Coupled Device), circuit intégré qui utilise le déplacement et le stockage de charges électriques dans un substrat de silicium. • 1972 : Premier microprocesseur (Intel 4004). Regroupant 2 300 transistors sur une plaquette de silicium carrée de 7 mm de côté, il traite des mots de 4 bits. • 1974 : Premier microprocesseur traitant des mots de 8 bits (Intel 8008). • 1978 : Premier microprocesseur traitant des mots de 16 bits. • 1983 : Premier microprocesseur traitant des mots de 32 bits.

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Premier transistor (1948)

Premier circuit intégré (1958)

Premier processeur (1971) (4004 d’INTEL)

2.3. Types : Il existe trois types de circuits intégrés : les circuits intégrés analogiques et les circuits intégrés numériques. 2.3.1. Circuits intégrés analogiques : Les circuits intégrés analogiques les plus simples peuvent être de simples transistors encapsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages complexes pouvant réunir toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est le seul composant. Les amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne complexité de cette grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique haute fréquence et de télécommunication. De nombreuses applications analogiques sont à base d'ampli Op. 2.3.2. Circuits intégrés numériques : Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques (et, ou et non), les plus complexes sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires. On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques, notamment pour le traitement du signal (traitement d'image, vidéo...) on parle alors de processeur de signal numérique (ou DSP pour Digital Signal Processor). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable (FPGA, CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité d'intégration. 2.3.3. Circuits intégrés mixtes : Ils réunissent sur une même puce de silicium des fonctions numériques et analogiques. 3. La Loi de Moore : Des composants de plus en plus petits, de moins en moins chers.

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Durant les années 70, Gordon Moore, un des cofondateurs de la société Intel et inventeur du premier microprocesseur (Intel 4004, en 1971), prédit le doublement de la densité des puces électroniques tous les deux ans. Depuis cette époque, chercheurs et industriels de la microélectronique suivent donc scrupuleusement une « feuille de route » qui établit avec précision des objectifs de réduction de taille des transistors. Les progrès constants qu’ils ont réalisés, associés à une production massive, ont permis de réduire radicalement les coûts des composants microélectroniques et donc de tous les produits qui y ont recours : ordinateurs, smartphones, téléviseurs, caméras, appareils photos...

4. Degré d’intégration des circuits : Un CI se caractérise par son degré d’intégration : le nombre d'éléments ou le nombre de fonctions intégrés sur un seul morceau. On distingue les circuits : • SSI (small scale integration), à faible échelle d’intégration, en 1964 :  1 à 10 transistors par cm2

• MSI (medium scale integration), à moyenne échelle d’intégration, en 1968 :  10 à 500 transistors par cm2 • LSI (large scale integration), à grande échelle d’intégration, en 1971 :  500 à 20000 transistors par cm2 • VLSI (very large scale integration), à très grande échelle d’intégration, en 1980 :  20000 à 1000000 transistors par cm2 4

• ULSI (ultra large scale integration), à ultra grande échelle d’intégration, en 1984 :  1000000 et plus transistors par cm2 5. Intérêt des circuits intégrés : Les efforts faits pour fabriquer des circuits intégrés de plus en plus miniaturisés sont motivés essentiellement par les avantages qu’offrent en contre partie ces circuits. On peut citer notamment : 1- Un plus petit nombre de composants dans un système électronique, ce qui implique : - Des dimensions plus petites des systèmes, - Des systèmes plus légers, - Une production en série plus simple, - Une réduction de la fréquence des pannes, - Une maintenance plus simple, - Des coûts plus faibles. 2- Les performances des systèmes sont améliorées grâce à : - Une plus grande vitesse de fonctionnement, - Une consommation de puissance plus faible. 3- Une meilleure protection et confidentialité des systèmes contre le piratage. 6. Fabrication des circuits intégrés : Le matériau de base pour la fabrication des circuits intégrés est le silicium pur. On découpe dans un barreau de 30 cm de diamètre des galettes (wafer) d’un demi-millimètre d’épaisseur. C’est sur cette tranche, appelée wafer, que des centaines de puces sont fabriquées simultanément, grâce à la répétition ou la combinaison d’opérations élémentaires : Oxydation Dépôt

de la surface,

d’un verni photo sensible,

Transfert

du dessin du circuit à la surface de ce vernis,

Exposition

du vernis non recouvert à un rayonnement UV ou X,

Suppression

du vernis sensibilisé par un agent corrosif,

Dopage des

surfaces de silicium aux endroits qui ne sont plus couvert d’oxyde.

Le processus est répété pour superposer plusieurs couches de circuits. Les circuits sont testés directement sur le wafer qui sera ensuite découpé en puces, appelées aussi die. Chaque puce est ensuite placée dans un boîtier qui la protège mécaniquement et fournis les broches pour connecter le circuit aux circuits imprimés. 5

Remarque 1 : Environnement du laboratoire A l’échelle d’une puce, un minuscule grain de poussière représente un rocher qui bouche les chemins creusés pour la circulation des électrons. C’est pourquoi la fabrication des circuits intégrés a lieu en « salle blanche ». L’air est filtré et entièrement renouvelé 10 fois par minute. Il contient 100 000 à 1 million de fois moins de poussières que l’air extérieur. Les opérateurs portent en permanence une combinaison qui les couvre des pieds à la tête et retient les particules organiques et les poussières qu’ils génèrent naturellement. Remarque 2 : Design des circuits Impossible de concevoir un circuit de plusieurs millions d’éléments sans l’aide de l’ordinateur. Tout concepteur de puces recourt à la CAO : Conception assistée par ordinateur, qui regroupe les logiciels et les techniques de modélisation géométrique qui permettent de concevoir et tester virtuellement des produits manufacturés avant de les réaliser.

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Annexe 1 Technologie

planar : La technique planar (à plat) consiste à protéger le substrat d'une couche d'oxyde de silicium thermique (SiO2 silice) et ouvrir des fenêtres dans cet oxyde aux endroits devant recevoir le dopant par diffusion. Ainsi protégé de la pollution le composant au final donne de très bons résultats. Cette technologie remplaça rapidement toutes les autres dans le domaine des transistors bipolaires et la fabrication des autres types de transistors s'en inspirèrent.

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