2E103 : Fondements en microélectronique

Intitulé de l'Unité
d’Enseignement
Fondements en microélectronique
Code de
l’UE
Descriptif de l’unité
Volumes horaires globaux (CM + TD + TP+ projet, autre…)
Nombre de crédits
Année de Licence
28h CM, 12h TD, 4h EI, 16h TP
6 ECTS
L2-S3
1. Objectifs de l'Unité d'Enseignement
La demande croissante en circuits intégrés est liée à des besoins sociétaux, environnementaux et économiques forts,
comme la santé et la sécurité des populations. Cette UE propose une initiation à l’étude des composants de la
microélectronique, depuis les aspects matériaux jusqu’au développement des circuits intégrés. L’enseignement sera traité
d'un point de vue ingénieur, en liaison étroite avec les enjeux socio-économiques.
Dans une première partie, le cours insiste sur le rôle clé joué par les matériaux mis en jeu dans les composants de la
microélectronique. Le cours présente quelques propriétés macroscopiques des matériaux et initie à la sélection de ceuxci vis-à-vis des performances des dispositifs visés. Dans une seconde partie, le cours présente les problématiques de la
microélectronique, depuis les procédés de fabrication des composants jusqu'aux modèles électriques utilisés en
simulation. Les étudiants se familiariseront avec les technologies de production des composants modernes et
appréhenderont le point de vue industriel de la microélectronique.
Les étudiants s’exerceront au travail en équipe lors des études d’ingénierie et des travaux pratique, qui leur permettront
de développer un esprit d’analyse, de critique et d’initiative.
2. Contenu de l’Unité d’Enseignement
Introduction à la microélectronique. Historique, (r)évolutions, critères économiques, sociétaux, environnementaux.
Évolution des technologies : loi de Moore. Marché des semi-conducteurs
Partie n°1. Matériaux pour l’ingénieur en électronique
A. Quels matériaux ? Déconstruction d'un circuit intégré (CI). Classification des matériaux. Propriétés couplées
B. Les métaux : Notions de conductions électrique et thermique. Études d’ingénierie : Budget thermique dans les CIs.
Interconnexions / contacts dans les CIs
C. Les semi-conducteurs : Notions de dopage, de conduction électrique. Notions d'absorption / émission de photons.
Études d’ingénierie : Photo-détecteurs, LEDs
D. Les diélectriques : Notions de polarisation, piézo-électricité et pyroélectricité. Introduction aux MEMS
Partie n°2. Micro-fabrication : introduction aux technologies des circuits intégrés
A. Procédés de fabrication : Fabrication par lots (wafer, avantages de la fabrication de masse...). Photolithographie.
Procédés élémentaires (épitaxie, diffusion, oxydation, métallisation, gravure...). Visite de salles blanches
B. Structure physique des composants : Jonctions PN, transistors MOS. Eléments passifs (R, C, L). Avantages/inconvénients
d'une réalisation monolithique sur substrat de silicium. Dispersion des caractéristiques d'un composant
C. Modélisation des composants : Paramètres technologiques, scaling
D. Développement d'un circuit intégré complexe : Problématique, fiabilité, méthodologie, test...
Perspectives : l’électronique du futur. More Moore, More than Moore. Des bio-MEMS aux bio-NEMS. Électronique
moléculaire
3. Pré-requis
Mathématiques : intégrales, différentielles, dérivées logarithmiques.
Physique : atomes, lois de Newton, loi de Coulomb, loi d’Ohm…
Électronique : UE L1AE01
4. Références bibliographiques
R. Waser, Nano-electronics and Information Technology, 3rd Edition, J. Wiley & Sons (2012)
M. Madou, Fundamentals of Microfabrication & Nanotechnology, 3rd Edition, CRC Press (2011)
Course title
Microelectronics Basics
Course description
Hours (CM + TD + TP+ autre…)
Credits
Period
28h CM, 12h TD, 4h EI, 16h TP
6
L2-S3
1. Objective
The growing demand for integrated circuits is related to strong societal, environmental and economic needs, such as
health and safety of populations. This course provides an introduction to the study of microelectronics components, going
from materials aspects to development of integrated circuits. The teaching will be treated with an engineer point-of-view,
in close relation with socio-economic issues.
In the first part, the course emphasizes the key role played by the materials used in the microelectronics components. The
course presents some macroscopic properties of materials and investigates in a pragmatic way the criteria for materials
selection wrt device design and performance considerations. In the second part, the course presents the issues of
microelectronics, going from manufacturing processes to electrical models used in simulation. Students will become
familiar with modern production technology components and apprehend the industrial viewpoint of microelectronics.
Students will practice teamwork during case studies and lab work, which will enable them to develop analytical, critical
and initiative spirit features.
2. Content
Introduction to microelectronics: Historic perspective, (r)evolution, relevance, economic, environmental and societal
issues. Evolution of technologies (Moore’s law). Semiconductor market
Part n°1. Materials for Engineers in Electronics
A. Which materials? Deconstruction of an integrated circuit (IC). Classification of materials. Coupled properties
B. Metals: Basic concepts in electrical and thermal conduction. Case studies: thermal budget in ICs. Interconnects /
contacts in ICs
C. Semiconductors: Basic concepts in doping and electrical conduction. Basic concepts in absorption and emission of
light. Case studies: Photo-detectors, LEDs
D. Dielectrics: Basic concepts in electrical polarization, piezoelectricity and pyroelectricity. Introduction to MEMS
Part n°2. Microfabrication: Introduction to Integrated Circuit Technologies
A. Fabrication process: Batch process (wafer, advantages of mass production...). Photolithography. Elementary processes
(epitaxy, diffusion, oxidation, metallization, etching..)
B. Physical structure of components: PN junctions, MOS transistors. Passive components (R, C, L). Advantages / drawbacks
of a monolithic process on silicon substrate. Dispersion of component characteristics
C. Modelling: Technological parameters, scaling
D. Development of a complex integrated circuit: Issues, reliability, methodology, test...
Conclusion and Perspectives: Advanced electronics. More Moore, More than Moore. From MEMS to bio-MEMS and bioNEMS. Molecular electronics
3. Prerequisites
Maths: integral / differential calculus, logarithmic derivatives
Physics basics: atoms, Newton laws, Coulomb law, Ohm law...
Electronics: L1AE01
4. References
R. Waser, Nano-electronics and Information Technology, 3rd Edition, J. Wiley & Sons (2012)
M. Madou, Fundamentals of Microfabrication & Nanotechnology, 3rd Edition, CRC Press (2011)