Circuit intégré

Le circuit intégré (CI), aussi nommé puce électronique, est un composant électronique reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant fréquemment plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit, rendant le circuit facile à mettre en œuvre.

Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique et numérique.

Historique

Jack Kilby (1923 – 2005) est l'inventeur du circuit intégré. En 1958, cet Américain, alors employé par Texas Instruments, créait le tout premier circuit intégré, jetant ainsi les bases du matériel informatique moderne. Pour la petite histoire, Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte tandis que la majorité de ses collègues profitaient de vacances organisées par Texas Instruments. À l'époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne faudra ensuite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Ces ensembles de transistors interconnectés en circuits microscopiques dans un même bloc, permettaient la réalisation de mémoires, mais aussi d'unités logiques et arithmétiques. Ce concept révolutionnaire concentrait dans un volume inprobablement réduit, un maximum de fonctions logiques, auxquelles l'extérieur accédait à travers des connexions réparties à la périphérie du circuit^[1]. Cette découverte a valu à Kilby un prix Nobel de physique en 2000, tandis que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom.

Circuit intégré analogique

Les composants les plus simples peuvent être de simples transistors encapsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages réunissant l'ensemble des fonctions requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est l'unique composant.

Les amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne complexité de cette grande famille où on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique haute fréquence et de télécommunication.

Un exemple de circuit analogique : l'ampli op LM741 et une ribambelle de cousins.

Circuit intégré numérique

Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques (et, ou, 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 (ASIC pour Application Specific Integrated Circuit), surtout pour le traitement du signal (traitement d'image, compression vidéo... ) on parle alors de 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 à cause de leur grande densité d'intégration.

Composition

Le boîtier

Les circuits intégrés se présentent le plus souvent sous la forme de boîtiers pleins rectangulaires, noirs, équipés sur un ou plusieurs côtés ou alors sur une face, de pattes (appelées aussi broches ou pins) permettant d'établir les connexions électriques avec l'extérieur du boîtier. Ces composants sont brasés, (soudé, terme impropre) sur un circuit imprimé, ou enfichés, à des fins de démontage, dans des supports eux-mêmes brasés sur un circuit imprimé.

Sur le boîtier sont peints : le logo du fabricant, une référence qui permet d'identifier le composant, un code correspondant à des variantes ou révisions et la date de fabrication (4 chiffres codés AASS : année et semaine). Les progrès de l'intégration sont tels que les circuits intégrés peuvent devenir particulièrement petits. Leur taille ne dépend plus guère que de la capacité du boîtier à dissiper la chaleur produite par effet Joule et , fréquemment du nombre, de la taille des broches de sortie du circuit mais aussi de leur espacement.

Différents types de boîtiers permettent d'adapter le circuit intégré à son environnement de destination.

• Le format le plus ancien a pour nom Dual Inline Package (DIP ou DIL) qui se traduit sommairement par «boîtier avec deux lignes».
• La miniaturisation aidant, les circuits dits de surface ont fait leur apparition : le format SO.

Bien d'autres types existent :

Le Die

Le die est la partie élémentaire, de forme rectangulaire, reproduite comme une copie conforme avec une matrice sur une tranche de silicium en cours de fabrication. Il correspond au circuit intégré qui sera ensuite découpé et qu'on appellera une puce avant qu'elle ne soit encapsulée pour donner un circuit intégré, prêt à être monté sur une carte.

Le Die d'un circuit intégré comprend sous des formes miniaturisées essentiellement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances, car elles sont plus difficilement miniaturisables.

Échelle d'intégration

L'échelle d'intégration définit le nombre de portes par boîtier :

• SSI (small scale integration) petite : inférieur à 12
• MSI (medium) moyenne : 12 à 99
• LSI (large) grande : 100 à 9 999
• VLSI (very large) particulièrement grande : 10 000 à 99 999
• ULSI (ultra large) ultra grande : 100 000 et plus

Ces distinctions ont progressivement perdu de leur utilité avec la croissance exponentielle du nombre de portes. Actuellement plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un chiffre normal (pour un microprocesseur ou un circuit intégré graphique haut de gamme). Pour parvenir à de tels niveaux d'intégrations, un flot de conception complexe est utilisé.

La technique de fabrication la plus courante

La fabrication d'un circuit intégré est un procédé complexe dont la tendance est à se compliquer de plus en plus.

• Le motif de base est le transistor, et ce sont ensuite les interconnexions métalliques entre les transistors qui exécutent la fonction spécifique du circuit.
• L'aluminium est fréquemment employé dans ce but, mais une technologie plus performante permet l'emploi du cuivre.
• On utilise quelquefois du silicium polycristallin, aussi conducteur, surtout pour la grille du transistor.

Matière première

La matière première de base généralement utilisée pour fabriquer les circuits intégrés est le silicium.

Néanmoins, d'autres matériaux sont quelquefois employés, comme le germanium ou l'arséniure de gallium.

Le silicium est un semi-conducteur dans sa forme monocristalline. Ce matériau doit être pur à 99, 99 %.

On produit en premier lieu un barreau cylindrique de silicium en le cristallisant particulièrement lentement. Ce barreau est ensuite découpé pour être utilisé sous forme de galettes de 100 à 800 µm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, nommé wafer (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.

La photolithogravure

La photolithographie, sert à désigner la totalité des opérations servant à délimiter l'extension latérale des matériaux sur la surface d'un substrat semi-conducteur, dont la structure est plus ou moins bidimensionnelle car basée sur l'empilement de couches à la surface d'une plaquette de silicium. Les motifs deviendront ensuite les différentes zones actives des composants électroniques (exemple : contact, drain... ) ou les jonctions entre ces composants. Ce procédé est aujourd'hui le plus commun.

Étapes de fabrication

Le nombre d'étapes de la fabrication des circuits intégrés a crû énormément depuis 20 ans. Il peut atteindre plusieurs dizaines pour certaines productions spécialisées. Cependant, on retrouve environ toujours la même série d'étapes :

• Préparation de la couche : on expose le wafer à du dioxygène pur après chauffage pour fabriquer une couche d'oxyde (isolant) en surface, ensuite le wafer est recouvert d'un vernis photosensible.
• Transfert : on transfère le dessin du circuit à reproduire sur la surface photosensible avec un masque, comme pour la peinture au pochoir, en l'exposant aux ultraviolets, (ou aux rayons X, pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnements est dissout grâce à un solvant spécifique.
• Gravure : l'oxyde de silicium est par conséquent protégé par le vernis aux lieux exposés aux ultraviolets. Un agent corrosif va creuser la couche d'oxyde aux lieux non protégés.
• Dopage : on dissout ensuite le vernis exposé avec un autre solvant, et des ions métalliques, nommés dopants, sont introduits dans le silicium exposé à l'endroit où l'oxyde a été creusé, pour le rendre conducteur.
• Couche suivante : l'opération est renouvelée pour créer les couches successives du circuit intégré ou du microprocesseur (jusqu'à 20).
• On détermine la qualité de la gravure selon le plus petit motif qu'il est envisageable de graver, en l'occurrence la largeur de la grille du transistor MOS.
  • En 2004, les gravures les plus fines en production sont de 0, 13 µm (ou 130 nm) et 90 nm.
  • En 2006, les gravures les plus fines en production sont de 60 nm et 30 nm.

Phases finales

• On dépose une pellicule métallique aux lieux où le circuit devra être en contact avec les broches de sortie.
• Les circuits intégrés sont testés directement sur le wafer. Les puces défectueuses sont marquées (inking). Il s'agit de l'EWS
• Le wafer est finalement découpé au moyen d'une scie circulaire au diamant d'une épaisseur de 0.02mm ou via un procédé de découpe laser pour obtenir des die.
• Les puces ainsi obtenues sont insérées dans un boîtier individuel de protection et reliées aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur.
• Des tests de validation sévères et individuels sont alors entrepris pour qualifier les microprocesseurs, en fréquence et en température.

Technologies spécialisées

Certaines techniques sont aussi utilisées pour des circuits intégrés de type légèrement spécialisé.

Silicium sur isolant

Le principal défaut du CMOS réside dans sa capacitance. C'est-à-dire la capacité interne et parasite qui ralentit la vitesse de commutation d'un transistor. À la périphérie immédiate de la source et du drain, on observe une forte accumulation de charges électriques. Ces charges résultent de la différence de potentiel entre le substrat silicium et ces parties d'épi-couche (c'est-à-dire de la couche de surface, proche des zones sources et drains) ionisées. À partir des années 1990, on s'est intéressé à une solution nommée SOI ou (Silicon On Insulator, c'est-à-dire silicium sur couche isolante) servant à diminuer ces effets nuisibles... ^[2].

La technologie (silicon on insulator - SOI) consiste à introduire une couche isolante électriquement sous les transistors en profondeur du silicium. Cela diminué les pertes d'électrons dans le circuit, sources de consommation statique d'énergie. Le silicium «à côté» des transistors n'est plus fixé à un potentiel donné, ce qui introduit des performances intéressantes (augmentation de vitesse pour les portes CMOS complexes).

Silicium sur saphir

Occasionnellemen, le substrat en silicium monocristallin est purement et simplement abandonné. L'avantage intrinsèque d'utiliser du silicium (l'arrangement des atomes de silicium sur le substrat est naturellement plus régulier) peut alors être compensé pour des applications spécialisées. C'est ainsi que le silicium sur saphir (substrat en saphir cristallin) est utilisé dans les applications où le circuit intégré sera exploité dans un environnement spatial ou soumis à d'intenses radiations qui rendraient les substrats de silicium inutilisables.

Arséniure de gallium

On réalise aussi des semi-conducteurs à base d'arséniure de gallium. Même si ce matériau a eu l'antériorité sur le silicium, il avait presque disparu de l'industrie. Actuellement les avantages intrinsèques de ce matériau en termes de vitesse de commutation, mais aussi ses performances supérieures à celles du silicium dans le domaine de l'opto-électronique, lui redonnent une nouvelle jeunesse dans le domaine des hautes fréquences et on voit réapparaître une fabrication industrielle sur la base de cette technologie.

Développements futurs

L'industrie des circuits intégrés est une de celles qui évoluent le plus rapidement de l'histoire des technologies. Elle explore continuellement de nouvelles technologies. Parmi celles qui semblent avoir un avenir prometteur il faut compter :

• les substrats en diamant^[3], dont on attend énormément en termes de refroidissement^[4].

Voir aussi

• Circuit imprimé
• Microprocesseur
• Microcontrôleur
• Fabricant de composant électronique

Notes et références

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