CIRCUITS INTÉGRÉS

CIRCUITS INTÉGRÉS

Les circuits intégrés monolithiques constituent l’approche la plus sophistiquée de la microélectronique. Leur origine technologique remonte à 1958, et leur importance économique et industrielle est devenue considérable.

Description des circuits

Il est d’usage de désigner par «circuit intégré monolithique» un bloc constitué en partie par un monocristal de silicium , en forme de parallélépipède rectangle aplati, à l’intérieur duquel se trouvent inscrits, en nombres variables, des composants électroniques élémentaires, transistors (fig. 1), diodes, résistances et, plus rarement, capacités ^{[cf. COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES]}.

La surface des circuits intégrés varie d’une dizaine de millimètres carrés pour les plus petits à quelques dizaines de millimètres carrés pour les plus grands; l’épaisseur totale du monocristal de silicium est de l’ordre de 200 micromètres. Le substrat monocristallin, de type p ⁺ (fortement dopé) par exemple (fig. 1), occupe la majeure partie du bloc; il sert essentiellement de support manipulable au dépôt épitaxial de quelques micromètres d’épaisseur, de type généralement opposé à celui du substrat type n , pouvant servir de collecteur aux transistors intégrés.

Le dépôt épitaxial est obtenu par croissance cristalline homoépitaxiale à partir du substrat; il prolonge rigoureusement les mailles du réseau cristallin de ce dernier, de manière à former une structure (substrat + dépôt épitaxial) strictement monocristalline. Généralement, la couche épitaxiale est polarisée par rapport au substrat, sous une tension nulle ou inverse, pour réaliser son isolation électrique. Ainsi isolée, elle constitue en fait la partie utile où sont inscrits les composants du circuit intégré.

Dans la conception la plus simple, les composants (cf. le transistor, fig. 1) sont formés par des zones semiconductrices localisées, de type p (base) ou n (émetteur, collecteur) et inscrites les unes dans les autres. Le plus souvent, les alternances de zones sont obtenues par des processus physico-chimiques qui conduisent à introduire, à partir de la surface utile du monocristal, des impuretés p , puis des impuretés n , ou réciproquement. La surface utile du bloc monocristallin de silicium est couverte d’une couche de protection en silice Si² (couche de passivation) d’une épaisseur de 0,5 猪m, généralement obtenue par oxydation superficielle du silicium et qui évite au monocristal les contaminations chimiques. La couche jouit aussi des propriétés d’un bon isolant diélectrique: elle sert de support aux connexions, formées de rubans métalliques (aluminium ou or), reliant entre eux les composants élémentaires suivant le schéma du circuit. Pour assurer les contacts entre les rubans métalliques qui cheminent sur la silice et les zones semiconductrices utiles de chaque composant situées sous la silice, on ménage dans celle-ci des trous à l’intérieur desquels les rubans métalliques se prolongent: les contacts s’effectuent au fond, entre métal et semiconducteur. En fait, à partir d’un certain degré de complexité du circuit, on est amené à prévoir généralement des croisements sans contact pour ces rubans, par des passages «souterrains» constitués de zones semiconductrices fortement dopées, donc faiblement résistantes et munies à leurs extrémités de zones de contact métalliques. Ainsi, un des chemins de connexion passe localement, au point de croisement, dans le semiconducteur, c’est-à-dire sous la silice isolante, alors que l’autre chemin, perpendiculaire au premier, se situe sur la silice (fig. 2).

Dans le cas des circuits intégrés à transistors bipolaires et résistances, où le transport du courant se fait par «effets de volume», la totalité des zones utiles est inscrite à l’intérieur de la fine couche du dépôt épitaxial, les composants étant alors isolés les uns des autres, individuellement ou par groupes, au moyen d’enveloppes intérieures au cristal: enveloppe réalisée par une jonction pn continue, sous polarisation nulle ou inverse, formant un mur p ⁺ dont le fond, de type p ⁺ aussi, est le substrat d’origine (fig. 1); ou bien, enveloppe de silice, interne au cristal de couche épitaxiale, entourant le caisson (procédé isoplanar, ou variantes de celui-ci). Le premier procédé (jonction pn ) présente les inconvénients d’une capacité élevée, d’un isolement imparfait à cause des courants inverses de fuite et d’un encombrement relativement plus important que dans le second.

Transistors MOS et dispositifs à transfert de charges CCD

Si, au contraire, le courant se déplace en surface du monocristal de silicium comme dans le cas des transistors MOS (metal oxide semiconductor ; fig. 3) ou des dispositifs à transfert de charges CCD (charge coupled device ), une partie seulement de la structure (drain et sources) est intégrée dans la couche épitaxiale au voisinage de l’interface avec la silice, alors que les autres parties sont constituées par les structures qui se situent au-dessus du bloc monolithique proprement dit. La silice de passivation, amincie à 0,1 猪m au lieu de 0,5 ailleurs, sert de diélectrique sous la couche métallique (de même nature que celle des rubans d’interconnexions) que forment les grilles des transistors MOS, ou les peignes des dispositifs à transfert de charges CCD. Pour les MOS à grilles silicium, les grilles sont formées, non plus par un métal, mais par une couche supplémentaire de silicium polycristallin dopé, déposée sur la couche de silice.

Il est important de savoir que les circuits intégrés, qui utilisent des transistors MOS d’un seul type à canal n ou p , n’exigent aucune isolation entre les transistors: ceux-ci se trouvent, en fonctionnement, auto-isolés les uns des autres par les zones de charge d’espaces qui les entourent. Cela conduit à des simplifications et diminutions d’encombrement en surface très appréciables.

Évolution des circuits intégrés

L’existence industrielle des circuits intégrés a été rendue possible par l’ensemble des procédés planar dont les mises au point datent de la fin des années cinquante, dix ans après l’invention du transistor. La structure classique à transistors bipolaires npn et résistances, développée dès le début des années soixante, est utilisée pour réaliser les circuits intégrés à niveau moyen d’intégration et généralement performants en vitesse de commutation; ils comportent une ou quelques centaines de composants intégrés MSI (medium scale integration ).

Vers la fin des années soixante, on chercha intensivement à accroître le nombre des composants intégrables, de manière à augmenter la complexité des fonctions. Cette recherche imposait trois objectifs:

– Le premier était d’augmenter la surface utile du monocristal de silicium. Les premiers circuits intégrés des années soixante atteignaient une dizaine de millimètres carrés. Aujourd’hui, il est difficile d’obtenir des surfaces utiles industriellement rentables d’un centimètre carré. En effet, le monocristal n’est jamais parfait, non plus que les opérations extrêmement complexes de réalisation des circuits. La présence d’une bactérie ou d’une poussière de 1 micromètre peut perturber la photogravure d’une des opérations de fabrication, si bien que la probabilité de réussite d’un circuit décroît très rapidement, lorsque sa surface utile augmente.

– Le deuxième était de diminuer l’encombrement des composants élémentaires intégrés dans le circuit. Pour cela, il fallait parvenir à supprimer les résistances (dont les encombrements sont en général exorbitants) et les «murs d’isolement» p ⁺: ce fut l’invention des transistors MOS, vers 1962. Au début des années soixante-dix, un nouvel usage des transistors bipolaires, sous la forme des «logiques à injection » (I²L : injection integrated logic ) autorisa des objectifs comparables. Plusieurs milliers de transistors furent intégrés sur un monocristal de silicium d’une vingtaine de millimètres carrés: circuits intégrés LSI (large scale integration ). Plusieurs dizaines de milliers de transistors purent ensuite être intégrés sur une surface proche d’un centimètre carré: ce sont les circuits intégrés VLSI (very large scale integration ), qui comportent jusqu’à 1 million de transistors MOS.

– Le troisième objectif était de diminuer la dissipation des circuits élémentaires. En effet, le silicium de type p ou n perd sa propriété caractéristique pour prendre celle d’un matériau semiconducteur intrinsèque, dès que le nombre de porteurs, alors augmenté par l’élévation de température, avoisine la concentration en impuretés de type p ou n : le circuit intégré dans son ensemble ne doit pas dissiper au total (W) plus de quelques watts (1,5, par exemple). Si chaque circuit élémentaire dissipe Wⁱ, le nombre N de circuits intégrables est :

À ce titre, les circuits à transistors MOS complémentaires, les familles COSMOS (complementary symetrical MOS ) ou CMOS, obtenus par associations, en paires, de transistors à canaux n et à canaux p , ainsi que les «circuits logiques à injection» à transistors bipolaires (I²L) offrent d’intéressantes performances (fig. 4).

Cependant, en réduisant les dissipations Wⁱ des circuits élémentaires, on diminue les courants disponibles pour charger et décharger les diverses capacités parasites qu’inévitablement chacun comporte et les capacités utiles du circuit. À excursions de tensions données donc, ces diminutions entraînent des augmentations des durées de changement d’états des circuits. Autrement dit, la diminution des consommations entraîne nécessairement une réduction des rapidités de fonctionnement des circuits. C’est pourquoi, en définitive, il faut chercher un compromis entre l’augmentation du nombre de circuits élémentaires intégrés et la performance en rapidité de fonctionnement de chacun d’entre eux. Les combinaisons de transistors MOS à enrichissement et à déplétion offrent ce compromis.

L’évolution des circuits intégrés n’est pas terminée: elle se poursuit dans l’utilisation de l’arséniure de gallium, qui permet de diminuer encore les durées de commutation des circuits pour atteindre seulement quelques dizaines de picosecondes (circuits VHIC, very high speed integrated circuits ).

Encyclopédie Universelle. 2012.