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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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Microelectronics relies on the assembly of billions of transistors on the same chip and is based on very complex technologies which have been developed since the 1960s. The resulting increase in speed and power of information processing is at the origin of the digital revolution. We often forget that this development is largely based on the mastery of materials and especially metals and their derivatives, whether in the engineering of diffusion barriers or in those of metallic interconnections. The purpose of this article is to recall through a few examples the essential contribution of metallurgy to the development of this industrial sector.
Auteur(s)
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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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
metallurgy | microelectronics | transistors
VERSIONS
- Version archivée 1 de mai 2011 par Yves BRECHET, Dominique MANGELINK, Jean PHILIBERT, Olivier THOMAS
DOI (Digital Object Identifier)
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Incontournable présence des métaux
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1. La microélectronique emblématique des technologies de pointe
Le terme de microélectronique recouvre la production (et la conception) de circuits intégrés (réalisés généralement sur un support semi-conducteur, principalement aujourd'hui le silicium) permettant la réalisation d'automates électroniques avec de nombreuses applications (PC, téléphones mobiles, TV numérique, automobile, informatique industrielle, robotique, mécanique…) et qui, aujourd’hui, grâce à une puissance de calcul en constante augmentation, permettent de produire de l'intelligence artificielle.
Ce domaine a acquis la réputation d'être, par excellence, le domaine des technologies de pointe, celles qui ont rendu possible la « civilisation de l'information ». La mythique Silicon Valley est emblématique de cette perception du grand public. Le secteur de la microélectronique se caractérise par les progrès très importants et sa très forte croissance depuis l'invention en 1947 , tout d'abord des premiers transistors, initialement sur support germanium, rapidement supplanté par un support silicium. La pureté du semiconducteur de départ obtenue par le procédé métallurgique de « refusion de zone » a été un élément clef de cette invention . Ensuite, la première réalisation d'un microtransistor à effet de champ (MOSFET, metal-oxide semiconductor field-effect transistor) en 1960 a été déterminante ....
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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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