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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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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 ; leur complexité permettant de produire de l'intelligence artificielle et ayant de nombreuses applications (PC, téléphones mobiles, TV numérique, automobile, informatique industrielle, robotique, mécanique...).
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 la très forte croissance qu'il a connus depuis l'invention en 1947 des premiers transistors sur support silicium et la première réalisation d'un microtransistor à effet de champ (MOSFET, metal-oxide semiconductor field-effect transistor ) en 1960. Depuis cette origine et jusqu'à maintenant, on a pu observer une croissance exponentielle soutenue de presque tous les paramètres caractérisant ces produits (taille de gravure, nombre de transistors par cm2, vitesse de travail, etc.). La loi que G. Moore a édictée en 1965, et qui prédisait une augmentation d'un facteur 4 du nombre de transistors sur une puce tous les trois ans, a été à peu près respectée depuis lors.
La taille des composants diminue donc constamment et, depuis plus d'une décennie, les dimensions caractéristiques sont de l'ordre d'une fraction de micromètre ou même de quelques nanomètres dans certaines directions. La fabrication de ces dispositifs a été bien maîtrisée jusqu'à maintenant bien qu'elle constitue un défi technologique exigeant des moyens de fabrication d'une finesse et d'une précision considérables. C'est une des voies vers les nano-objets, qui s'inscrit dans l'évolution vers l'électronique miniaturisée de demain, au-delà du « trait » de 45 nm qui constitue la norme actuelle.
Actuellement le secteur de la microélectronique est en mutation : la majorité des matériaux et des technologies actuelles doivent être modifiés pour satisfaire les critères liés à la réduction de la taille. Alors que dans les années précédentes, le principal travail...
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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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