MICROÉLECTRONIQUE

Les progrès en miniaturisation

Quels sont les progrès attendus de la miniaturisation en tenant compte de toutes les limitations physiques abordées précédemment ?

L'évolution de la microélectronique pour les années 2005-2018 est assez bien connue (tabl. 1) car les industriels ont défini ensemble une feuille de route technologique, appelée roadmap, afin de mettre leurs efforts en cohérence, l'idée étant que chacun tire profit du développement accru de l'ensemble de l'industrie plutôt que d'agir seul, ce qui rend les différentes briques technologiques incompatibles entre elles. Le document décrit, de manière extrêmement complète, les évolutions des différentes composantes nécessaires au progrès de la miniaturisation : matériaux, lithographie, outils de conception, intégration des différents éléments, performances attendues, etc.

L'industrie est passée d'une largeur de traits en lithographie de 8 micromètres (μm) en 1970 à 2 μm en 1980, puis à 0,10 μm en 2004. L'intégration des circuits a augmenté plus vite que le simple facteur d'échelle a² car, d'une part, la surface disponible a été mieux utilisée et, d'autre part, la taille des puces a crû aussi, dans l'intervalle, de 10 à 200 mm² environ. La vitesse d'horloge a elle aussi augmenté grâce à la vitesse accrue sur la puce et parce que l'intégration sur une seule puce permet de s'affranchir des interconnexions extérieures qui sont longues et, donc, lentes. On atteindra 0,025 μm (25 nm) vers l'an 2011 et la limite physique du transistor « classique », soit 6 nm, vers 2016.

Tout n'ira cependant pas sans difficultés : le document du roadmap identifie un « mur », le red brick wall, c'est-à-dire un ensemble de besoins dont les solutions ne sont pas connues aujourd'hui (tabl. 2). Au fur et à mesure de la miniaturisation, il n'y a pas que les dimensions des circuits qui doivent diminuer : le contrôle des dimensions critiques atteint l'échelle nanométrique – voire atomique – ; les empilages de structures doivent se faire avec une précision de positionnement de l'ordre d'une cinquantaine d'atomes ; il faut renouveler sans cesse les structures des éléments et les méthodes techniques de micro et de nano- fabrication, rechercher de nouveaux matériaux (fig. 11). Qu'on ne s'inquiète pas cependant car l'histoire des semiconducteurs est marquée par une succession de crises. La première, qui remonte à 1962, était liée aux limites technologiques qui freinaient le développement de la lithographie. Dans les années 1970, les erreurs de mémorisation, dues aux effets ionisants des rayons cosmiques absorbés dans les mémoires, ont failli remettre en cause le développement de la microélectronique avant que l'on sache y remédier. En 1982, l'interconnexion entre les éléments a posé problème car il était difficile d'effectuer des connexions de taille micrométrique sans défauts. Ces crises ont été surmontées une à une grâce aux immenses efforts de l'industrie en recherche-développement, et aux évolutions incessantes des structures des composants, de leur composition et de leur mode de fabrication. Cela explique la rapide obsolescence (trois à quatre ans) des usines de circuits intégrés puisque, en une (au pire) ou deux (au mieux) générations de circuits, tout est à changer : machines de lithographie, nature et mode de dépôt de matériaux, structure des transistors et des éléments mémoires... En même temps que la complexité des circuits s'accroît, le coût des investissements augmente aussi (de l'ordre de a au moins). Une usine de production coûtait un million de dollars en 1965 ; son prix, au début du xxi^e siècle, est de l'ordre de 2,5 milliards d'euros (courants). Heureusement, parallèlement, la productivité augmente[...]