B. LES OBSTACLES À SURMONTER
Les avancées dans les voies de recherche évoquées précédemment exigent néanmoins de surmonter de nombreux obstacles.
Ainsi, la miniaturisation géométrique des transistors à travers la lithographie exige de véritables prouesses techniques.
En outre, au fur et à mesure que la taille des transistors se rapproche de l'échelle quantique, de nouvelles difficultés apparaissent qui limitent la performance des circuits intégrés.
Sans prétendre être exhaustif, votre rapporteur abordera les principaux obstacles rencontrés par la microélectronique liés :
- à la poursuite de la miniaturisation par la lithographie ;
- à la dissipation thermique ;
- à la sensibilité des transistors aux variations du procédé de fabrication ;
- à la perturbation des performances des transistors en raison des effets quantiques et de la complexité des architectures.
1. La poursuite de la miniaturisation par la lithographie
La miniaturisation a longtemps consisté à réduire le trait de gravure des transistors grâce aux progrès réalisés en lithographie optique, qui reste le procédé traditionnel de fabrication des circuits intégrés. La résolution étant proportionnelle à la longueur d'onde, la finesse des motifs a d'abord progressé avec la diminution, qui s'est effectuée par sauts, de la longueur d'onde du rayonnement utilisé.
Dans les années 80, l'industrie de la microélectronique utilisait des lampes à mercure délivrant dans l'UV proche, à travers des optiques en quartz, un rayonnement d'une longueur d'onde de 436 nm. Elle gravait ainsi des structures d'une longueur de trait de 3 microns. Employées jusqu'au milieu des années 90, ces lampes ont été remplacées par des lasers à excimères émettant dans l'UV lointain (krypton-fluor à 248 nm, puis argon-fluor à 193 nm), permettant d'atteindre des résolutions de 110 nm et même inférieures à 90 nm.
Il faut souligner que la résolution recherchée aujourd'hui est très inférieure à la longueur d'onde d'exposition, ce qui apparaît comme un défi aux lois de la physique . En fait, deux facteurs ont contribué à cette prouesse technique :
- la mise au point de résines photosensibles basées sur des matrices de polymères peu absorbantes aux longueurs d'onde utilisées et mettant en oeuvre des mécanismes de propagation de l'énergie reçue toujours plus innovants ;
- l'amélioration des optiques, notamment par l'augmentation de l'ouverture numérique de l'optique de projection. A ainsi été développée la lithographie en immersion, qui introduit un liquide entre la lentille et la plaque de silicium et permet d'atteindre des tailles de gravure de 32 nm pour une longueur d'onde de 193 nm.
Pour l'avenir, de nombreux chercheurs parient sur l'introduction de l'extrême ultra-violet, dont la longueur d'onde est de 13,5 nm . Il s'agirait à la fois d'une réelle continuité et d'une rupture technologique majeure.
D'un côté, il s'agit d'une lithographie optique, ce qui permettrait d'appliquer, comme dans le passé, une panoplie d'astuces déjà connues afin de réduire progressivement la taille des motifs.
De l'autre, il s'agit d'une technologie totalement nouvelle : le procédé doit se réaliser intégralement sous vide, car pratiquement tous les matériaux, même sous forme gazeuse, absorbent la lumière à 13,5 nm. Cela impose l'abandon des optiques réfractives des anciens photorépétiteurs et l'utilisation, notamment, d'un masque et d'optiques réflectifs, miroirs extrêmement précis.
En outre, la source de lumière ne sera plus un laser mais un plasma chaud créé à partir d'un minuscule volume de matière. Même si elle apparaît très prometteuse, la lithographie dans l'extrême UV soulève des difficultés technologiques qui restent actuellement encore insurmontables.
Enfin, l'utilisation de technique de lithographie dite « maskless » basée sur le principe d'une écriture directe sur tranche de silicium via un faisceau d'électrons représente une opportunité décisive pour les générations en deçà de 22 nm. L'utilisation de cette technique est limitée aujourd'hui à des petites séries ou à des prototypes en raison de son trop faible débit. Mais de nouveaux concepts sont à l'étude pour multiplier le nombre des faisceaux d'électrons et accroître ainsi le rendement.