MICROÉLECTRONIQUE

Les limites physiques aux circuits intégrés

À partir des trois éléments de base des circuits intégrés (transistor, résistance et condensateur), toutes les fonctions requises par « l'intelligence » informatique peuvent être réalisées (fig. 7). Plus les éléments fabriqués seront de petite taille, plus on pourra en intégrer sur une seule puce. L'augmentation de la miniaturisation se traduit donc, depuis le milieu des années 1970, par une puissance de calcul toujours croissante. Quelles sont les limites physiques au bon fonctionnement des éléments et des interconnexions ?

Pour simplifier, les effets physiques de la diminution de taille des éléments des circuits intégrés sont analysés en introduisant un paramètre a de diminution de l'échelle des éléments, qui passent d'un taille 1 à une taille 1/a (fig. 8). Par cette « loi d'échelle », la taille linéaire des éléments décroît de a et leur densité surfacique augmente de a². On en déduit alors, le fonctionnement du transistor se faisant à champ électrique accélérateur constant entre la source et le drain (donc à vitesse v des électrons constante), que le potentiel électrique de commande du transistor décroît de a. Si cette loi d'échelle était parfaitement respectée (ce qui n'est pas le cas, comme on va le voir plus loin), la vitesse d'un composant – déterminée, en première approximation, par le temps mis par un électron pour passer, sous la grille de longueur L_G, de la source au drain, soit L_G / v – croîtrait d'un facteur a. Ainsi, pour un circuit intégré de surface donnée, la réduction des dimensions de ces éléments d'un facteur 10 (a = 10), permet d'augmenter sa « puissance logique » (produit du nombre de composants par leur vitesse individuelle) d'un facteur 1 000 (100 pour la densité des transistors et 10 pour leur vitesse). L'intérêt est donc de réduire les dimensions jusqu'aux limites du « bon » fonctionnement du transistor comme « interrupteur parfait » (fig. 9)  : cela suppose à la fois qu'il ait une très faible résistance au passage du courant en position « fermée » (tension de grille V_G=tension « 1 » logique), qu'il ne conduise pas le courant lorsqu'il est « ouvert » (V_G = 0) et que la commande du transistor, considéré comme un interrupteur parfait, ne fuie pas (c'est-à-dire que le courant passant de l'électrode de grille au canal conducteur soit à peu près nul). La première condition ne pose pas de problème sérieux, mais les deux autres créent des difficultés lorsque l'on cherche à atteindre les limites physiques du transistor.

Pour que le transistor ne conduise pas en l'absence de tension appliquée à la grille, les barrières de potentiel existant autour de la source et du drain (fig. 1c) ne doivent pas se rejoindre (sinon, la barrière de potentiel empêchant les électrons de passer d'une région à l'autre serait trop faible). L'extension spatiale des barrières peut être réduite en augmentant les dopages (concentrations) en atomes donneurs ou accepteurs d'électrons, ce qui n'est possible que jusqu'à une concentration limite en impuretés de l'ordre d'une impureté pour dix mille atomes de silicium. Au-delà se posent des problèmes métallurgiques (agglomération des atomes d'impuretés pour former des amas métalliques), d'une part, et de conductivité électrique dégradée, d'autre part. Il apparaît, à cause de cet effet d'extension finie des barrières, une limite à la longueur de la grille, qui est de l'ordre de 50 nm, si l'on arrive à une parfaite maîtrise des dopages dans les géométries classiques des transistors. Pour aller au-delà, de nouvelles géométries de transistors, où les électrons sont beaucoup plus confinés verticalement, sont nécessaires : c'est le cas du transistor à double grille ou du transistor à grille enveloppante ([...]