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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l'article intitulé "Métallurgie pour la microélectronique à support silicium" paru en 2011, rédigé par Yves BRECHET, Dominique MANGELINCK, Jean PHILIBERT et Olivier THOMAS.
RÉSUMÉ
La microélectronique repose sur l’assemblage de milliards de transistors sur une même puce et relève de technologies très complexes qui se sont développées depuis les années 1960. L’augmentation de la vitesse et de la puissance de traitement d’information qui en résulte est à l’origine de la révolution numérique. On oublie souvent que ce développement repose en grande partie sur la maîtrise des matériaux et tout particulièrement des métaux et de leurs dérivés, que ce soit dans l’ingénierie des barrières de diffusion ou dans celles des interconnexions métalliques. Cet article a pour objectif de rappeler à travers quelques exemples la contribution essentielle de la métallurgie au développement de ce secteur industriel.
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Dominique MANGELINCK : Directeur de Recherche au CNRS, Institut Matériaux, - Microélectronique Nanosciences de Provence IM2NP, Marseille, France
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Olivier THOMAS : Professeur à l’université d’Aix Marseille, Institut Matériaux, - Microélectronique Nanosciences de Provence IM2NP, Marseille, France - Cet article est la réédition actualisée de l'article intitulé « Métallurgie pour la microélectronique à support silicium » paru en 2011, rédigé par Yves BRECHET, Dominique MANGELINCK, Jean PHILIBERT et Olivier THOMAS.
INTRODUCTION
La maîtrise des matériaux est une composante essentielle du développement de la microélectronique. On n'a pu réaliser le premier transistor que lorsqu'on a su élaborer un semiconducteur de pureté suffisante (germanium initialement puis silicium), 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 de leurs dérivés. Les exigences de développements de gradients de composition chimique, qui ne doivent pas évoluer dans le temps, imposent des barrières de diffusion de plus en plus performantes. Les interconnexions métalliques assurant le transport du courant doivent présenter des résistivités de plus en plus faibles, ce qui oblige à une maîtrise parfaite des défauts structuraux. Les problèmes de connectique imposent de contrôler 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 cet article 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.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles utilisés.
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- Version archivée 1 de mai 2011 par Yves BRECHET, Dominique MANGELINK, Jean PHILIBERT, Olivier THOMAS
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2. Incontournable présence des métaux
On parle volontiers de « l'âge du silicium ». Pourtant, les métaux sont présents à tous les niveaux dans la microélectronique. En effet, un composant électronique se doit de transporter des électrons : c'est la fonction des interconnexions formées de métaux à très haute pureté et à très bonne conductivité électrique. Ce faisant, il génère de la chaleur qui doit être évacuée ; les supports de circuits remplissent cette fonction et les matériaux composites à matrice métallique se taillent la part du lion. La caractéristique d'un circuit électronique est d'être architecturée spatialement du point de vue de sa chimie : des barrières de diffusion doivent être mises en place, qui sont souvent constituées d'intermétalliques. Les grilles des transistors sont formées d'empilements complexes de métaux et de matériaux à forte constante diélectrique pour remplacer le silicium polycristallin et l'oxyde de grille. Citons maintenant quelques exemples de situations pour lesquelles les matériaux métalliques sont incontournables et attardons-nous sur des problèmes de comportement spécifiques à la microélectronique rencontrée.
2.1 Interconnexions
Les interconnexions illustrées sur la figure 2 ont pour fonction de transporter le courant avec des pertes par effet Joule aussi réduites que possible. Les métaux (Cu, Al, W…) et les intermétalliques (siliciures de métaux de transition…) sont utilisés principalement pour les contacts et les interconnexions en microélectronique.
La propriété principale recherchée pour ces matériaux est donc d'être de bons conducteurs de l'électricité. Pour ce faire, il est indispensable, en supplément d'une pureté élevée, de développer des interconnexions avec un nombre minimal de défauts structuraux (dislocations, joints de grains). En deuxième lieu, pour les interconnexions à plus longue distance, il faut qu'ils supportent des densités de courant considérables sans subir d'électromigration.
HAUT DE PAGE2.2 Contacts
Les siliciures sont retenus en microélectronique comme contact sur le silicium. WSi2 qui a...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BARDEEN (J.), BRATTAIN (W.H.) - The Transistor, A Semi-Conductor Triode. - Phys. Rev. 74, p. 230-231. https://doi.org/10.1103/PhysRev.74.230 (1948).
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(2) - WILLIAM (G.) - Pfann, « Principles of Zone Melting ». - Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers, vol. 194, p. 747-753 (1952).
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(3) - First Planar Integrated Circuit is Fabricated | The Silicon Engine | Computer History Museum. - https://www.computerhistory.org/siliconengine/first-planar-integrated-circuit-is-fabricated/ (accessed April 19, 2020) (n.d.) (1960).
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(5) - LÉVY (D.), MARTIN (F.) - Les matériaux critiques en nanoélectronique industrielle | Mediachimie. - https://www.mediachimie.org/ressource/les-mat%C3%A9riaux-critiques-en-nano%C3%A9lectronique-industrielle (accessed April 13, 2020) (2018).
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