Introduction aux problématiques de la nanoélectronique

Ce premier chapitre aura pour vocation d’introduire les problématiques de la recherche en microélectronique et des futurs challenges qui en découlent. Nous commencerons par un rapide historique du transistor MOSFET pour aboutir sur une analyse critique des possibilités de la recherche en simulation et modélisation du transistor MOSFET. Ensuite, nous insisterons sur l’importance de mettre en place une modélisation physique suffisamment précise pour adresser des analyses allant du dispositif à l’élément de circuit. Pour finir nous présenterons les objectifs principaux de ce travail de thèse.

Le transistor : une révolution industrielle et culturelle

L’histoire du transistor prend sa source lors de la découverte du silicium (Si) en 1823 par J. Berzellius et l’obtention de silicium cristallin en 1854 par H. Sainte-Claire Deville. La silice n’est rien d’autre que du sable (SiO2) et son constituant, le silicium, représente le second élément de la croute terrestre après l’oxygène (O). En ce qui concerne les débuts de l’électronique, ils sont attribués à J.A. Fleming en 1904 avec la diode portant son nom et qui se base sur les travaux de la lampe à verre de T. Edison. Le concept fut amélioré en 1906 avec la triode de L. De Forest et l’introduction d’une grille contrôlant le déplacement des électrons. En 1910 les travaux de deux chercheurs américains, Dunwoody et Pickard, sur les cristaux aboutirent à l’invention du récepteur à galène et par la même occasion de la première radio. Par la suite, les travaux théoriques de F. Bloch (théorie cohérente de la conduction dans les solides), de Nevill F. Mott (jonction métal-semi-conducteur) ou encore le principe du transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) énoncé par J.E. Lilienfeld ont mis en évidence que l’avenir de l’électronique résidait dans les semi-conducteurs. Il faudra néanmoins attendre les travaux de J. Bardeen, W. Brattain et W. Schockley en 1947 pour voir apparaître le transistor bipolaire à base de germanium. Il se nomme ainsi car son fonctionnement fait appel à deux types de porteurs de charges opposées : électrons et trous. Son avantage par rapport au MOSFET (lui aussi en germanium), plus performant sur le « papier », réside dans le fait qu’à l’époque il était impossible d’obtenir de bons oxydes de germanium. Ce problème sera résolu en 1960 avec D. Kahng en utilisant du silicium et de l’oxyde de silicium, deux ans après l’invention des circuits intégrés par J. Kilby et sept ans avant l’invention du CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) par F. Wanlass. La sortie du 1er processeur Intel 4004 en 1971 (en technologie CMOS) est le démarrage d’une vertigineuse miniaturisation du transistor MOS qui est à ce jour encore en action.

Ce que nous pouvons conclure de cette rapide bibliographie historique est que l’évolution de la microélectronique actuelle représente surtout l’aboutissement d’efforts colossaux dans le domaine de la recherche fondamentale et technologique. A ce titre, on remarquera aussi certaines similitudes entre l’évolution technologique des tubes à vide et celle des transistors (Figure I.1). Ainsi, l’apparition de nouveaux dispositifs à grille multiple (Double-Grille, nanofil …) suit la même logique de passage de la triode à la pentode : on cherche toujours à mieux contrôler le flux d’électrons. Cette remarque n’est pas sans conséquences sur certaines conclusions de notre travail : nous verrons plus tard l’importance de bien faire la différence entre « électrostatique » et « transport électronique ». L’électrostatique représente l’influence de l’architecture (nombre de grilles, géométrie du dispositif …) sur le flux des particules (électrons ou trous) alors que le transport électronique symbolise le comportement des particules dans le canal (interactions électron-électron, électron-phonon …) de ces mêmes particules. A ce titre, le véritable moteur de la loi Moore (aussi appelée loi de réduction d’échelle) était au début directement lié à l’aspect électrostatique, puisque pour des transistors MOSFET d’une longueur de canal supérieur à ~1 µm l’électrostatique prédomine sur le transport électronique. Par conséquent, il était plus « pratique » de prédire les performances d’un transistor en quantifiant les paramètres majeurs (dimensions, dopages, capacité, courant …) avec un facteur unique K [Baccarani2] et donc de prédire aisément les performances des futures technologies de transistor.