La nanoélectronique ne peut être que quantique - CEA

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ELa lithographie, clé de la miniaturisationLa lithographie optique (ouphotolithographie), applicationmajeure de l’interactionparticules/matière, est le procédétraditionnel de fabrication descircuits intégrés. Étape clé de ladéfinition des motifs de ces circuits,elle reste le verrou de leurdéveloppement. La résolutionétant en première approximationdirectement proportionnelle à lalongueur d’onde, la finesse desmotifs a d’abord progressé avecla diminution, qui s’est effectuéepar sauts, de la longueur d’onde λdu rayonnement utilisé.L’opération consiste en l’expositionvia une optique réductrice d’une résinephotosensible à des particules énergétiques,depuis les photons ultraviolet (UV)actuellement utilisés jusqu’aux électronsen passant par les photons X et les ions,au travers d’un masque représentant ledessin d’un circuit. Le but ? Transférercette image sur l’empilement de couchesisolantes ou conductrices qui le constitueront,déposées précédemment (phasede couchage) sur une plaquette (wafer)de matériau semi-conducteur, en généralde silicium. Ce processus est suivi de ladissolution de la résine exposée à lalumière (développement). Les partiesexposées de la couche initiale peuventêtre alors gravées sélectivement, puis larésine est retirée chimiquement avant ledépôt de la couche suivante. Cette étapede lithographie peut intervenir plus d’unevingtaine de fois au cours de la fabricationd’un circuit intégré (figure).Dans les années 1980, l’industrie de lamicroélectronique utilisait des lampes àmercure délivrant dans l’UV proche (raiesg, h, i), à travers des optiques en quartz,un rayonnement d’une longueur d’ondede 436 nanomètres (nm). Elle gravait ainsides structures d’une largeur de trait de3 microns (µm). Employées jusqu’au milieudes années 1990, ces lampes ont étéremplacées par des lasers à excimèresémettant dans l’UV lointain (krypton-fluorKrF à 248 nm, puis argon-fluor ArF à193 nm, les photons créés ayant une énergiede quelques électronvolts), permettantd’atteindre des résolutions de 110 nm,et même inférieures à 90 nm avec denouveaux procédés.Le Laboratoire d’électronique et de technologiede l’information (Leti) du CEA aété un des pionniers, dans les années1980, dans l’utilisation des lasers enZone de photolithographie en salle blanche dans l’usineSTMicroelectronics de Crolles (Isère).lithographie et dans la réalisation descircuits intégrés par les lasers à excimères,qui constituent aujourd’hui lessources employées pour la productiondes circuits intégrés les plus avancés.Pour l’industrie, l’étape suivante devait êtrele laser F 2 (λ = 157 nm), mais cette lithographiea été quasiment abandonnée faceà la difficulté de réaliser des optiquesen CaF 2 , matériau transparent à cettelongueur d’onde.Si la diminution de la longueur d’onde desoutils d’exposition a été le premier facteurà permettre le gain en résolution considérabledéjà obtenu, deux autres ont étédéterminants. Le premier a été la mise aupoint de résines photosensibles baséessur des matrices de polymères peu absorbantesaux longueurs d’onde utilisées etmettant en œuvre des mécanismes dedépôt d’unenouvelle coucheretrait résineétalementde la résinegravurepropagation de l’énergie reçuetoujours plus innovants. Lesecond a consisté en l’améliorationdes optiques avec une diminutiondes phénomènes parasitesliés à la diffraction (meilleure qualitéde surface, augmentation del’ouverture numérique).Au fil des années, la complexitéaccrue des systèmes optiquesa ainsi permis d’obtenir des résolutionsinférieures à la longueurd’onde de la source. Cette évolutionne pourra se poursuivresans une rupture technologiquemajeure, un saut important enlongueur d’onde. Pour les générationsdes circuits intégrés dont la résolutionminimale est comprise entre 80 et50 nm (le prochain “nœud” se situant à 65nm), différentes voies basées sur laprojection de particules à la longueurd’onde de plus en plus courte ont été misesen concurrence. Elles mettent respectivementen œuvre des rayons X “mous”,en extrême ultraviolet (dans la gammedes 10 nm), des rayons X “durs” (à la longueurd’onde inférieure à 1 nm), des ionsou des électrons.L’étape consistant à atteindre des résolutionsinférieures à 50 nm conduira às’orienter plutôt vers la nanolithographieà l’aide d’électrons de basse énergie(10 eV) et d’outils plus adaptés comme lemicroscope à effet tunnel ou l’épitaxiepar jets moléculaires (encadré C) pour laréalisation de “super-réseaux”.centrifugationséchageFigure. Les différentes phases du processus de lithographie dont le but est de délimiter les couchesde matériaux conducteurs ou isolants qui constituent un circuit intégré. Cette opération estl’enchaînement d’un étalement de résine photosensible, de la projection du dessin d’un masque parune optique réductrice, suivis de la dissolution de la résine exposée à la lumière (développement).Les parties exposées de la couche initiale peuvent être alors gravées sélectivement, puis la résineest retirée avant le dépôt de la couche suivante.Artechniquesourcedéveloppementmasqueoptiquede projectionexposition pas à pas(“step and repeal”)
GL’effet tunnel, un phénomène quantiqueLa physique quantique prédit des comportementsinhabituels et difficiles àaccepter par notre intuition immédiate,comme l’effet tunnel. Prenons le cas d’unebille devant franchir une bosse. En physiqueclassique, si l’énergie communiquéeà la bille est insuffisante, elle ne peut pasfranchir la bosse et retombe vers son pointde départ. En physique quantique, uneparticule (proton, électron) peut franchirla bosse, même si son énergie initiale estinsuffisante: elle peut passer de l’autrecôté comme par un petit tunnel. L'effettunnel peut ainsi permettre à deux protonsde surmonter leur répulsion électrique àdes vitesses relatives plus basses quecelles qu'indique le calcul classique. Lamicroscopie à effet tunnel est basée surle fait qu’il y a une probabilité non nullequ’une particule d’énergie inférieure à lahauteur d’une barrière de potentiel (labosse) puisse la franchir. Les particulessont des électrons traversant l’espaceséparant deux électrodes, une fine pointemétallique terminée par un atome uniqueet la surface métallique ou semi-conductricede l’échantillon. La physique classiquedonne d’une surface l’image d’unefrontière étanche, les électrons étant strictementconfinés à l’intérieur du solide. Parcontre, la physique quantique enseigneque chaque électron a un comportementondulatoire : sa position est “floue”. Enparticulier, au voisinage de la surface existeun nuage d’électrons dont la densité décroîttrès rapidement, de façon exponentielle,lorsque l’on s’éloigne du solide. L’électrona une certaine probabilité de se trouver“en dehors” du solide. Quand la fine pointemétallique est approchée de la surface, àune distance inférieure au nanomètre, lafonction d’onde associée à l’électron n’estpas nulle de l’autre côté de la barrière depotentiel, et les électrons passent de lasurface à la pointe, et réciproquement, pareffet tunnel. La barrière de potentiel franchiepar les électrons est appelée barrièretunnel. Lorsqu’une faible tension est appliquéeentre la pointe et la surface, un couranttunnel peut être détecté. La pointe etla surface étudiée forment localement unejonction tunnel. L’effet tunnel se manifesteégalement dans les jonctions Josephsonoù un courant continu peut passer à traversune étroite discontinuité entre deuxéléments supraconducteurs. Dans untransistor, l’effet tunnel peut se révélerde manière parasite quand l’isolant degrille devient très mince (de l’ordre dunanomètre). Il est par contre mis à profitdans de nouvelles architectures, telsles transistors à barrière tunnel Schottkyou à base de nanotubes de carbone.
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