Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La microélectronique a toujours été dépendante de la métallurgie, dès le premier transistor qui a dû attendre l’élaboration d’un silicium de pureté suffisante. Cette incontournable présence des matériaux dans la microélectronique infléchit de façon très marquée son avancée. Ainsi, le contexte actuel de miniaturisation des composants impose l'étude des nouveaux procédés et matériaux. La microélectronique à support silicium est constituée en grande partie de métaux et leurs dérivés, que ce soit dans l’ingénierie des barrières de diffusion ou dans celles des interconnections métalliques. Et les problématiques de soudage et l’élimination de la chaleur sont eux aussi des enjeux majeurs nécessitant le développement de nouveaux matériaux. L'implication de la métallurgie dans ce secteur industriel ne fait donc que se renforcer.
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Microelectronics has always been dependent from metallurgy, from the very first transistor which had to wait for a sufficiently pure silicon to be developed. This indispensable presence of materials in microelectronics has a significant influence on its progress. Therefore, the current context of miniaturization of components requires the study of new processes and materials. Silicon-based microelectronics is mainly composed of metals and derivatives, be it in diffusion barriers or metallic interconnection engineering. Issues concerning welding and heat removal are also major challenges requiring the development of new materials. The involvement of metallurgy is this sector is thus constantly increasing.
Auteur(s)
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Yves BRECHET : Professeur à l'Institut national polytechnique de Grenoble Membre senior de l'Institut universitaire de France
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Dominique MANGELINK : Chargé de recherche CNRS Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence IM2NP
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Jean PHILIBERT : Professeur émérite à l'Université Paris-Sud Laboratoire physicochimie de l'état solide
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Olivier THOMAS : Professeur, université Paul Cézanne, Aix-Marseille III Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence IM2NP
INTRODUCTION
Dès sa naissance, la microélectronique a été dépendante des matériaux : on n'a pu réaliser le premier transistor que lorsqu'on a su élaborer un silicium de pureté suffisante, par une technique de purification appelée « refusion de zone » et inventée... par un métallurgiste ! Dans le contexte actuel de miniaturisation des composants, un passage obligé est l'étude des nouveaux procédés et matériaux, dont une grande partie est constituée de métaux et leurs dérivés. Les exigences de développements de gradients de composition chimique ne devant pas évoluer dans le temps imposent des barrières de diffusion de plus en plus performantes. Les interconnections métalliques assurant le transport du courant doivent avoir des résistivités de plus en plus faibles, ce qui impose une maîtrise parfaite des défauts structuraux. Les problèmes de connectique imposent de maîtriser tout l'attirail des technologies de soudage. Les densités de courant mises en jeu et la réduction des échelles font de l'élimination de la chaleur un enjeu majeur nécessitant le développement de nouveaux matériaux. Il n'est pas un domaine des matériaux de la microélectronique qui puisse faire l'économie d'une bonne connaissance de la métallurgie. Nous nous limitons dans ce dossier à la métallurgie pour la microélectronique à support silicium : nous n'abordons pas les recherches dans les domaines optoélectronique, électromagnétisme, micro-ondes et antennes, même si ces problématiques sont liées à celles de la microélectronique. L'implication de la métallurgie dans ce secteur industriel est donc plus indispensable encore que ne le laissent penser les quelques exemples utilisés ici pour l'illustrer.
Qu'il suffise, pour ne pas oublier l'étendue du domaine en dehors de la microélectronique proprement dite, de citer l'exemple des condensateurs aluminium/alumine qui avaient posé de redoutables problèmes aux métallurgistes afin d'assurer l'état physique et microstructural de la couche d'alumine.
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- Version courante de juil. 2020 par Dominique MANGELINCK, Olivier THOMAS
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Besoin fort de compétences en métallurgie3. Nombreuses questions ouvertes
Les métaux sont donc omniprésents dans les applications de la microélectronique. Mais les questions posées ne sont pas nécessairement identiques à celles qui émergent dans les domaines plus « classiques » des applications structurales.
Il importe de bien clarifier les spécificités du domaine pour identifier de façon pertinente les « questions ouvertes ».
Une caractéristique constante de la microélectronique est la présence de « situations confinées » : couches minces, canaux et plots. Une autre caractéristique est la « coexistence forcée » entre des matériaux aux comportements très différents : silicium et cuivre, oxydes de silicium, intermétalliques de barrières. Et enfin les procédés mêmes d'élaboration, comprenant une séquence de dépôts et de traitements thermiques, conduisent à des problèmes spécifiques. Cette fois encore, il n'est pas question d'être exhaustifs, nous nous contentons de citer quelques exemples de problèmes « fondamentaux » qui constituent des « verrous scientifiques » pour le développement futur de la microélectronique.
3.1 Électromigration
Ce phénomène, le transport des espèces sous un « vent d'électrons », a paru longtemps être une curiosité de laboratoire. Physiquement, il provient d'un transfert de quantité de mouvement entre le « vent » d'électrons du courant électrique et les atomes de cuivre de la ligne d'interconnexion. Ce transfert entraîne un mouvement des atomes de cuivre, la présence d'une divergence du flux d'atome provoquant la création d'une cavité. Il est désormais un problème majeur limitant la durée de vie des circuits. Dès les premiers circuits intégrés, l'électromigration constitua et continue d'être un véritable problème pour la fiabilité des circuits intégrés. Historiquement, des solutions intrinsèques au métal utilisé ont été employées.
Les interconnexions en aluminium souffraient d'une rupture due à la formation de cavités résultant de l'électromigration (fortes densités de courant) des atomes qui engendre un flux de lacunes – une maladie qui bloqua un temps la production des supercalculateurs....
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PINEAU (A.), QUÉRÉ (Y.) (Coord.) - La métallurgie – Science et ingénierie. - EDP Sciences (2011). http://livres.edpsciences.org/ouvrage.php?ISBN=978-2-7598-0538-9
-
(2) - FREUND (B.), SURESH (S.) - Thin film materials. - Cambridge University Press (2003).
-
(3) - OHRING (M.) - The materials science of thin films. - Academic Press (1992).
-
(4) - SOLYMAR (L.), WALSH (D.) - Electrical properties of materials. - Oxford Univ. Press (2004).
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