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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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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 qui sont formées de métaux à très haute pureté et 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 architecturé 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 des problèmes de comportement spécifiques à la microélectronique que l'on rencontre.
2.1 Interconnexions
Les interconnexions qui sont illustrées sur la figure 1 ont pour fonction de transporter le courant avec des pertes par effet Joule aussi réduites que possible. Les métaux (Cu, Al, W...) et 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 sus 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.
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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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