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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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Lire l’articleAuteur(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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4. Besoin fort de compétences en métallurgie
Comme nous venons de le voir, les métaux sont fortement présents parmi les matériaux de la microélectronique, et nombre de problèmes liés à la réduction de taille des composants sont de nature métallurgique. Il en résulte un fort besoin de compétences en métallurgie, non pas de spécialistes de tel ou tel métal, mais de spécialistes dans les compétences de base constitutives de la métallurgie : transformation de phase, diffusion, plasticité, rupture, évolutions microstructurales. Ces compétences existent dans les secteurs de la « métallurgie classique », il importe de les importer dans la « science des matériaux pour la microélectronique » en intégrant les spécificités que nous avons déclinées ci-dessus.
4.1 Diffusion, transformation de phase, thermodynamique des interfaces
Une grande partie des procédés de la microélectronique repose sur des transformations de phases. Les systèmes devenant de plus en plus complexes, la métallurgie a certainement un rôle important à apporter dans le développement de ces procédés. Réciproquement, la simplicité de systèmes chimiques que l'on peut considérer dans certains cas comme modèles ainsi que les possibilités de fabrication de géométries et d'empilements simples peut permettre d'apporter des éléments de compréhension des phénomènes rencontrés en métallurgie (réactions aux interfaces, phases métastables...). Les diagrammes de phase sont d'une précision insuffisante dans certains domaines à plusieurs constituants. L'interdiction du plomb dans les alliages pour brasage a posé de redoutables problèmes de mise au point d'alliages de substitution : un problème qui relève typiquement de la pure métallurgie. L'étude théorique de la stabilité/métastabilité de nombreux composés intermédiaires relève aussi de la compétence des théoriciens à destination des concepteurs de composants nouveaux.
La diffusion constitue aussi un des piliers de la fabrication de composants (réalisation de jonction p/n, électromigration, diffusion réactive). Une des caractéristiques des composants est la prépondérance de la diffusion aux interfaces (joint de grains, joints interphase). Malheureusement, les connaissances dans ce domaine sont limitées en particulier pour la diffusion aux joints d'interphases.
La thermodynamique...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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
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(2) - FREUND (B.), SURESH (S.) - Thin film materials. - Cambridge University Press (2003).
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(3) - OHRING (M.) - The materials science of thin films. - Academic Press (1992).
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(4) - SOLYMAR (L.), WALSH (D.) - Electrical properties of materials. - Oxford Univ. Press (2004).
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