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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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Besoin fort de compétences en métallurgie
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3. Nombreuses questions ouvertes
Les métaux sont donc omniprésents dans la microélectronique. Cependant, les questions posées ne sont pas nécessairement identiques à celles qui émergent dans les domaines plus « classiques » des applications structurales. Il importe donc 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 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'atomes 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 de constituer 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. C'est un métallurgiste qui résolut le problème dans les années 1970 grâce...
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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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(4) - MOORE (G.E.) - Cramming More Components Onto Integrated Circuits. - Electronics. 38, p. 19 (1965).
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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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