Hard du Hard • La Course aux Nanomètres - Partie 1

La grosse galette

En guise d’introduction, une puce CMOS est réalisée à partir d'un wafer. Un wafer est une plaque de 200 ou 450 mm de diamètre, ou plus généralement 300 mm. Elle est réalisée à partir d'un seul cristal de silicium pur à 99.99995% minimum, 99.9999995% maximum. Le reste des atomes ne sera généralement pas des impuretés au pif, mais bien des dopants spécialement choisis pour leur impact sur les propriétés électriques.

Un wafer de silicium tout nu. Contrairement aux wings, il se balade généralement en boites de 25

Le silicium cristallin est ce qu'on appelle un semi-conducteur, un mauvais isolant dont on sait manipuler les propriétés électriques en y ajoutant des atomes. Le silicium s'entend aussi très bien avec l'oxyde de silicium, un isolant plus communément appelé "verre", et le nitrure de silicium, le cousin bizarre de l'oxyde. Il s'entend assez mal avec le cuivre et l'or, qui détruisent ses propriétés de semiconducteur.

Étapes et Procédés

Pour fabriquer des puces, il va falloir enchaîner les étapes de production sur ce wafer. C'est à la fois l'enchaînement (l'intégration des procédés) et la nature de ces étapes (le développement des procédés) qui va déterminer la route technologique. Et c'est les caractéristiques de cette route technologique, parfois appelée règles de dessin, design rules dans la langue de Kurt Cobain, qui vont déterminer le nœud technologique auquel correspond la puce : c'est le fameux nombre de nanomètres des marketeux.

Prenons un premier exemple simple de ce qu'est l'intégration de procédés : mettons que pour une raison ou une autre, vous vouliez avoir une couche d'oxyde de silicium sur la face arrière de votre wafer. Vous demandez à ce que votre ingénieur spécialisé en dépôt de couches minces vous dépose l'épaisseur d’oxyde de la densité voulue. Mais vous allez avoir besoin aussi d'une mesure d'épaisseur pour vérifier que sa machine a fait du bon boulot. Votre métrologue vous conseillera donc sa meilleure méthode de mesure pour ça ; par exemple, un coup d’ellipsomètre. Les bonnes pratiques pour déposer une couche d'oxyde sera donc quelque chose comme ça :

Mais sans aller dans les mesures complexes, vous allez de toute façon faire, après chaque étape de production, un contrôle optique du wafer pour vérifier s'il n'a reçu ni rayure ni poussières pendant le dépôt, ce qui indiquerait un mauvais fonctionnement de votre machine ou une mauvaise manipulation, ce qui nous donnerait ceci :

Ici, pour déposer un oxyde en face arrière, il va aussi être nécessaire d'inclure des étapes logistiques, par exemple de retourner les plaques. Manuellement ou pas :

Vous allez donc avoir un enchaînement d'étapes simples, que l'on appellera S pour Step, nécessaires pour réaliser un Procédé P. Pour notre dépôt de couche mince en face arrière, ça donnera ceci :

On remarque que l’intégration des procédés permet de résoudre des problèmes de développement de procédés : ici, il est normalement très difficile de faire un bon dépôt en face arrière, mais l’intégration permet de le faire facilement en décomposant en petites étapes simples avec des retournements de plaques... comme des crêpes.

Passons à un deuxième exemple plus complexe : pour un procédé de photolithographie, on va avoir en général une plaque pilote, qui va être traitée en premier, mesurée à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB), et si elle est bonne, le reste du lot y passera.

Mais si elle n'est pas bonne, on retire la résine de photolithographie en stripping et on recommence. Le P de « litho » inclut donc aussi un procédé de stripping, optionnel, qu'on appelle le recyclage et qui ne sera activé que si la plaque « pilote » est mauvaise.

D'un point de vue pratique, le Step correspond à ce que les wafers vont physiquement subir. Leur boîte sera chargée sur l'équipement, la machine outil de salle blanche spécifiée, avec un programme donné. Par exemple, pour l'étape de photothérapie, le Step indiquera quelle résine utiliser, quel programme d'illumination utiliser, quel masque utiliser. Une problématique très industrielle, donc. Le Procédé correspondra plutôt à une étape conceptuelle de l’empilement, comme l’ajout, le retrait ou la modification d’une couche sur le wafer.