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Nanoélectronique - Vers le nanoprocesseur 01/01/2002)

Dans quinze ans, la nanoélectronique se sera imposée, même si personne ne sait encore comment. Réseaux fonctionnels de molécules organiques, nanotubes de carbone ? À moins qu'il ne s'agisse toujours du silicium...

Le premier "nanoprocesseur" moléculaire vaudra-t-il le Nobel à son inventeur ? L'enjeu industriel qu'un tel saut technologique représenterait est énorme : pas moins que la poursuite d'une course à la miniaturisation des microprocesseurs commencée il y a plus de trois décennies et aujourd'hui menacée.

Depuis l'invention du microprocesseur, en 1971, l'industrie est parvenue à multiplier par quatre tous les trois ans, environ, le nombre de transistors intégrés sur chaque millimètres carrés de silicium. Néanmoins, compte tenu de la finesse de gravure déjà atteinte, des limites géométriques accessibles dans le silicium et surtout du coût de plus en plus délirant des usines de semi-conducteurs, la SIA (Semiconductor Industry Association) estime que la miniaturisation ne pourra guère se poursuivre à ce rythme au-delà de 2014, du moins sur la base technologique actuelle.

Avec les molécules organiques complexes, l'électronique quantique, les nanotubes de carbone, les processeurs à ADN ou encore le "Cmos ultime", la recherche scientifique ne manque heureusement pas de pistes pour assurer le passage de la microélectronique à la nanoélectronique. Dans le monde entier, des centaines de laboratoires s'activent. Aux États-Unis, la Californie a décidé la création d'un "Institut pour la science et l'innovation" qui se consacrera entièrement aux nanotechnologies. Son budget atteint 300 millions de dollars sur cinq ans...

Des boîtes quantiques à l'échelle submicronique

La Corée prévoit de son côté la construction d'un parc industriel de seize hectares (Nanotown) qui formera 13 000 étudiants par an. Bien évidemment, le Japon n'est pas en reste (lire article siuvant). Cette frénésie est aussi perceptible en France, où les pouvoirs publics semblent bien décidés à ne pas rater ce que d'aucuns considèrent comme la prochaine révolution industrielle.

En témoigne la création par le CNRS du Groupement de recherche (GDR) "Nanoélectronique", qui couvre tout ce qui concerne la conception, la simulation, la fabrication et la caractérisation des composants nanoélectroniques et de leurs interconnexions. Plus d'une quarantaine de laboratoires, dont trois industriels, contribuent à cet effort de recherche.

En témoigne aussi la mise en place du site grenoblois Minatec, dont l'ambition est tout simplement de devenir le principal pôle d'innovation (recherche amont et appli-quée, filières de formation...) en Europe pour les micro et nanotechnologies.

Le CEA-Leti, l'un des principaux initiateurs de ce projet, s'est engagé dans un programme de recherche baptisé "Single electron and memories", où il est question de contrôler le courant... électron par électron. Pour mettre au point ces composants "mono-électron", les physiciens étudient des objets d'échelle submicronique, appelés boîtes quantiques, dans lesquels on stocke des charges électriques en petit nombre après qu'elles ont franchi une barrière isolante par effet tunnel. Mais ce passage est aussi contrôlé par le phénomène appelé "blocage de Coulomb" : une fois l'électron passé dans la boîte, il s'oppose au passage des prétendants restés à l'extérieur en vertu de la force de répulsion électrostatique qui se crée entre deux charges de même signe. À moins de vaincre cette force en jouant sur la polarisation de la boîte grâce à une électrode de commande.

Des nanodots dans la grille d'un transistor

De la même façon, on peut faire sortir les électrons un par un, la boîte accédant à chaque fois à un potentiel différent, et par conséquent à un état logique différent.C'est le principe du SET (Single Electron Transistor), un composant clé pour lequel le Leti et le Sinaps (un autre laboratoire du CEA) ont mis au point une méthode de fabrication originale. 

Elle consiste, dans un premier temps, à créer des dislocations en forme de vis à la surface d'une plaque de silicium sur laquelle on a collé (au sens moléculaire), puis fait pivoter, une autre plaque de silicium parfaitement lisse. Par croissance épitaxiale, ces dislocations se transforment en îlots ou "nanodots" (voir la photo de l'encadré ) : de véritables boîtes quantiques de quelques dizaines de nanomètres de largeur et espacés d'autant. " Ces îlots sont finalement intégrés dans la grille d'un transistor Mos traditionnel ", explique Jean-Louis Pautrat, conseiller scientifique au CEA et membre de l'équipe-projet Minatec.

L'avantage de cette méthode réside à la fois dans son caractère "collectif" - des millions de boîtes peuvent être fabriquées simultanément - et dans sa relative simplicité. C'est précisément ce que recherchent les industriels, à l'instar de Motorola qui explore des procédés de fabrication nouveaux dans le cadre d'une collaboration avec le CEA sur son site de Saclay.

L'auto-assemblage une solution d'avenir

Cet accord s'est concrétisé par la création du Lem (Laboratoire d'électronique moléculaire). " Notre travail consiste, d'une part, à caractériser divers nano-objets, et, d'autre part, à mettre au point les procédés qui permettront de les assembler pour obtenir des fonctions électroniques utiles ", précise Jean-Philippe Bourgoin, responsable CEA du laboratoire.

Quels sont ces nano-objets ? Des nanotubes de carbone bien sûr, mais pas seulement. Le Lem et d'autres laboratoires s'intéressent aussi à des molécules organiques plus complexes, capables de réaliser des fonctions évoluées de traitement du signal.

C'est IBM, en 1974, qui a ouvert la voie en montrant par le calcul qu'une jonction métal-molécule-métal pouvait présenter des caractéristiques électriques s'apparentant à celles d'une diode. On sait aussi fabriquer des interrupteurs moléculaires. Le rotoxane, par exemple, présente deux niveaux stables de conductance selon son état d'oxydo-réduction.

Récemment, Lucent Technologies a même observé un fonctionnement de type "transistor à effet de champ" sur un matériau actif englobant quelques molécules de thioalcool. De quoi concevoir toute une logique moléculaire !

"Les molécules de synthèse ou les bio-molécules conduisent mal le courant et ont une mauvaise tenue thermique. Elles présentent une remarquable aptitude à l'autoassemblage et permettent de réaliser des architectures supramoléculaires bien plus complexes que les nanotubes de carbone ", estime Jean-Philippe Bourgoin.

Car la manipulation des nano-objets pose des problèmes considérables. Certes, la pointe d'un microscope à effet tunnel permet de créer des motifs de quelques atomes ou de réaliser une connexion électrique sur une seule molécule, voire un seul atome. Au stade industriel, il faudra cependant passer à des procédés d'interconnexion plus réalistes. On évoque des petits fils métalliques réalisés par nanolithographie électronique... Reste aussi l'encapsulation, qui n'est pas une mince affaire.

L'électronique moléculaire aurait l'avantage de libérer l'industrie des semi-conducteurs d'une approche dite top-down (descendante) - on part d'un matériau (le silicium) qu'on cisèle avec une précision grandissante - que l'on sait aujourd'hui condamnée. Basée sur l'assemblage ou, mieux, l'auto-assemblage astucieux de composants microscopiques, l'électronique moléculaire, de type bottom-up (ascendante), ne devrait en revanche pas connaître les problèmes "d'usinage" qui caractérisent le silicium et en explique le coût ! Jean-Charles Guézel

 

LE SILICIUM POUSSE DANS SES ULTIMES RETRANCHEMENTS

Le CEA-Leti et le LTM-CNRS ont réalisé une grille de transistor de 10 nm avec un plasma.
Les structures de silicium les plus fines que les usines de microprocesseurs sachent aujourd'hui graver font typiquement 130 nm. Mais en laboratoire, on sait faire 13 fois mieux. C'est ce qu'ont prouvé le Leti et le LTM-CNRS en fabriquant une grille de transistor de 10 nm de large (à la base) avec un plasma. 

De son côté, ST Microelectronics vient de présenter un transistor équipé d'une grille de 16 nm (notre photo), réalisée cette fois par une méthode relativement classique associant lithographie (à 193 nm de longueur d'onde), gravure par faisceau d'électrons et attaque chimique. Cette grille est associée à une couche diélectrique de 1,2 nm, soit seulement quatre couches moléculaires de silice !

" Limitée à des structures de 80 nm, en production industrielle du moins, la lithographie à 193 nm pourrait un jour céder la place à la lithographie par rayons X (de 10 à 0,1 nm de longueur d'onde) de façon à aller beaucoup plus loin dans la miniaturisation. Mais elle se heurte pour l'instant à la réalisation des masques ", précise Michel Montier, directeur des technologies avancées de l'usine STM de Crolles (Isère).

À l'échelle du nanomètre, ST Microelectronics travaille aussi sur des diélectriques en polymère nanoporeux (quelques dizaines de nanomètres de diamètre) qui, grâce à leurs très faibles pertes, seront susceptibles de remplacer la silice dans de futurs circuits Cmos à haute fréquence. 

 

DU TRANSISTOR AU PROCESSEUR MOLECULAIRE

En dépit de problèmes de fréquence de travail, de connectique et de CAO spécifique encore à résoudre, le processeur moléculaire semble une voie prometteuse.
Impensable hier, on sait aujourd'hui fabriquer des composants électroniques actifs (typiquement un transistor) avec une seule molécule.

Le premier effet d'amplification observé (de type électromécanique toutefois) l'a été sur une molécule de fullerène, en 1997, par le groupe "électronique moléculaire" du Cemes-CNRS, à Toulouse, et par les laboratoires de recherche IBM de Zurich. " Avec la pointe d'un microscope à effet tunnel pilotée par un cristal piézo-électrique soumis à une tension de 10 mV, nous avons comprimé le fullerène de 0,1 nm. Cela a entraîné une variation de deux ordres de grandeur de sa résistance électrique ", raconte Christian Joachim, directeur de recherche au Cemes.

Un résultat spectaculaire qui ne convainc pas pour autant le chercheur que la méthode "hybride" - celle qui consisterait à interconnecter au moyen de minuscules fils électriques des transistors constitués chacun d'une seule molécule - soit l'approche la plus efficace pour le microprocesseur du futur.
Des liaisons chimiques pour connexions
Christian Joachim préconise au contraire une approche globale (dite intramoléculaire) dans laquelle une molécule plus complexe joue le rôle d'un véritable processeur en étant capable de réaliser plusieurs fonctions simultanément. " En effet, si le signal électrique se transmet rapidement à l'intérieur des molécules, leur impédance très élevée, liée à un mode de transmission de l'information par effet tunnel, pose d'énormes problèmes de bande passante au niveau des interconnexions. À tel point qu'il serait difficile de dépasser une fréquence de fonctionnement de 100 Hz alors qu'on atteint facilement 1 GHz avec le silicium ", explique le chercheur.

" Dans ces conditions, poursuit-il, il ne faut aucune connexion physique en dehors des entrées/sorties : au sein du processeur, toutes les liaisons doivent être chimiques. "
C'est d'ailleurs aussi l'approche retenue par Molecular Electronics, une start-up américaine qui explore les techniques d'autoassemblage applicables à la réalisation de réseaux électroniques complexes et de mémoires de très forte capacité.

Le principal écueil dans ce projet est l'absence d'une CAO spécifique capable de définir le type de réseau moléculaire convenant à telle ou telle fonction recherchée. Christian Joachim assure toutefois que ce n'est qu'une question de temps et vient de lancer une étude sur ce thème. 

DES NANOTUBES A TOUT FAIRE

Stockage de l'hydrogène dans les piles à combustible, supercondensateurs, "dopant" dans les batteries au lithium, capteurs chimiques, écrans plats de type FED (à émission de champ) : les nanotubes de carbone seront partout, et peut-être aussi dans nos microprocesseurs. S'ils y parviennent un jour, ce sera grâce à leur étonnante faculté d'être à la fois conducteurs pour certains, ce qui est parfait pour les interconnexions, et semi-conducteurs pour d'autres, ce qui permet d'en faire des transistors à effet de champ.
Assemblage par voie électrostatique
Le tri des semi-conducteurs ? Pas de problème : IBM sait faire, grâce à une méthode de "destruction constructive" qui élimine les nanotubes conducteurs au sein d'un lot indifférencié par une sorte de flash électrique. Il ne reste plus qu'à les assembler, ce à quoi se sont déjà amusés des chercheurs de l'université technologique de Delft (Pays-Bas) dans le but de réaliser quelques fonctions électroniques simples (oscillateur, mémoire, inverseur, porte logique, ...). 

Nos chercheurs ont tout simplement déposé les nanotubes sur un substrat de silicium, puis les ont interconnectés avec des fils d'or (notre photo). La précision requise pour le positionnement sur le substrat ? Pas de souci non plus. À Saclay, le Lem (Laboratoire d'électronique moléculaire du CEA et de Motorola) a mis au point une prometteuse technique d'assemblage par "ancrage électrostatique" après dépôt de substances adaptées sur un support. 

Et puis on peut aussi rêver au-delà des rustiques transistors à effet de champ. Car après avoir réalisé des transistors de type p - ce ne sont pas les électrons qui se déplacent, mais les trous -, IBM maîtrise désormais la fabrication des types n, ce qui ouvre non seulement la voie à des architectures complémentaires mais aussi à des jonctions bipolaires (diodes). 

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