Thématique Micro et nanoélectronique

Le Projet Micro et NanoElectronique (ex axe thématique) est animé par :
G. Ghibaudot, IMEP, INPG
V. Bouchiat, CRTBT, CNRS
A. Souifi, LPM, INSA

Programme scientifique présenté dans le cadre du dossier "Programme pluriannuel 2007-2010" déposé par le cluster Micro-Nano auprès de la Région Rhône-Alpes :

L’objectif général de la Micro et Nano-électronique est de concevoir et de réaliser des composants de plus en petits en accord avec la loi de Moore afin de pouvoir fabriquer des circuits logiques ou analogiques de plus en plus denses en terme d’intégration et de plus en plus rapides et complexes en terme de vitesse de fonctionnement et de capacité de traitement de l’information. Des réflexions sur les prospectives de la micro- nano- électronique sont consignées dans la feuille de route des semiconducteurs établie par l’ITRS, association des industriels, équipementiers, organisations gouvernementales, instituts de recherche et autres universités travaillant dans le domaine des semiconducteurs pour la microélectronique. Les différentes orientations possibles pour la recherche technologique en microélectronique d’ici 20 ans concernent l’évolution du CMOS et des mémoires associées, ainsi que les nouveaux dispositifs et architectures envisagées pour le post-CMOS qui pourraient à long terme remplacer les circuits intégrés standards. Dans ce projet Micro et Nanoélectronique, trois thématiques principales peuvent être distinguées : 1. Composants et technologies 2. Caractérisation et test avancés 3. Modélisation et simulation

Composants et technologies Pour le CMOS ultime, on sait aujourd’hui que l’objectif principal est d’aller vers de nouvelles architectures de dispositifs MOS à contrôle électrostatique renforcé pour arriver au transistor quasi balistique. Cela implique des efforts considérables en terme de procédés technologiques pour améliorer dans un premier temps les propriétés de transport par des effets de contraintes mécaniques permettant une ingénierie de bande appropriée et de réaliser des composants de faibles dimensions dans lesquels l’accès ne pénalise pas les performances de transport. Les grandes directions de recherche pour le CMOS ultime sont i) les films minces de type SOI, les FET multi grilles combinant les effets de contrainte, les diélectriques à haute permittivité réduisant les fuites de grille ainsi que l’amélioration des procédés technologiques de fabrication (lithographie, gravure …). On considère que la fin du CMOS standard sera le nœud technologique 16nm. Au-delà de cette dimension, d’autres technologies émergentes seront envisagées pour l’ère du post-CMOS. Pour les mémoires (DRAM, Flash, MRAM, …), les grandes orientations de recherche vont vers l’amélioration des performances de stockage des mémoires flash traditionnelles par discrétisation des sites de stockage (nano cristaux, pièges, molécules,…) en remplacement de le grille flottante continue, l’utilisation d’autres concepts de stockage (changement de phase ou de résistance, Ferro, magnéto,….), les mémoires à peu d’électrons (SEM, SET) ou encore à fonctionnement moléculaire. Pour les technologies logiques en rupture avec le CMOS standard, qui seront poussées à l’extrême probablement jusqu’au nœud 16nm, on envisage l’émergence d’autres alternatives plus amont. Parmi ces possibilités, on trouve les jonctions supra RSFQ, les nanotubes de carbone (CNT), les SET (single electron transistors), les dispositifs tunnel résonant (RTD), les spinFETs (transistor à transport de spin), les QCA (automates à cellules quantiques) ou encore les dispositifs moléculaires. Une évolution possible des circuits intégrés consiste également à implémenter d’autres architectures circuit ne reposant pas sur la logique CMOS binaire actuelle. Parmi les solutions envisageables, on trouve les circuits à automates cellulaires exploitant les QCA, les circuits inspirés des phénomènes biologiques ou encore le calcul quantique cohérent. Une thématique de recherche connexe au développement des composants électroniques décrit ci-dessus et indispensable au fonctionnement des circuits doit s’intéresser aux interconnections entre composants. En effet, même si l’on dispose de transistors très performants à l’unité, il est impératif de ne pas limiter les performances des circuits à cause des retards introduits par le transport des signaux entre dispositifs. En matière d’interconnections filaires, les efforts porteront sur l’amélioration des délais RC des lignes avec une amélioration des matériaux conducteurs en fonction de leur nature et dimension, des isolants de ligne à faible permittivité (r<2) ou encore l’intégration à 3 dimensions permettant une densification des circuits. Des solutions alternatives aux interconnections filaires devront également être étudiées comme les interconnections sur puce sans fil ou par voie optique. La région RA dispose, dans ce contexte, de nombreux atouts industriels et académiques reposant sur l’Alliance de Crolles et le pôle MINATEC, ainsi que sur les nombreux laboratoires de la région Rhône-Alpes. Le développement des technologies CMOS et post CMOS pourront bénéficier du soutien d’instituts et de laboratoires tels que : LETI-CEA, IMEP, LTM, LMGP, SPINTEC, LAHC, CRTBT, LEPES, SPRAM, TIMA, SiC, LPM, LEOM, LPMCN, LCIS,…

Caractérisation et test avancés Une thématique associée aux développements technologiques et aux activités de modélisation devra porter sur la caractérisation physique et électrique fine des nouveaux composants, ainsi que le test avancé des technologies ou circuits intégrés mis au point. En matière de composants, il s’agira en particulier de mesurer le comportement des dispositifs déca-nanométriques et des interconnections par des méthodes de champs proche et/ou des mesures électriques ou optiques macroscopiques sous conditions expérimentales extrêmes en terme de température, de champs magnétique, de fréquence (100GHz) et de résolution (faible courant, faible capacité, faible surface, …). En ce qui concerne les technologies, des méthodes de caractérisation analytique devront être développées pour mieux imager et diagnostiquer la composition chimique et les propriétés physiques des nouveaux matériaux utilisés et cela sur des échelles nanométriques. Les progrès associés à ces techniques et autres méthodologies permettront de valider les concepts de nouveaux composants et/ou technologies au plan morphologique, physique et électrique. Les laboratoires de la Région susceptibles de contribuer dans cette thématique sont : LETI, IMEP, LTM, LMGP, SPINTEC, CRTBT, LEPES, LLN, LCMI, LC, SP2M, LSP, TIMA, LPM, LEOM, LMI, LENAC, LAHC, DIOM…

Modélisation et simulation Une autre thématique de recherche indispensable au développement technologique concerne les activités de modélisation et de simulations en micro- et nano-électronique à caractère transversal. Les principaux challenges concernent la simulation des circuits et dispositifs à très haute fréquence (=>100GHz), la modélisation des procédés des étapes technologiques élémentaires pour les nano-matériaux, simulation de la lithographie optique, modélisation des dispositifs déca-nanométriques (structure de bande, transport, stress, architecture…), simulations couplées électro-mécanico-thermique, modélisation des propriétés chimiques, physiques et thermodynamiques des nouveaux matériaux, modélisation compacte des dispositifs en vue de la simulation circuit, simulation des nano-structures (transport quantique, effet de spin, moléculaire…). Les laboratoires de la Région susceptibles de contribuer dans cette thématique sont : LETI, IMEP, SPINTEC, CRTBT, LEPES, LLN, LPMMC, SP2M, SPSMS, LSP, SPRAM, LPM, LEOM, LPMCN, LMI, LENAC, LAHC, DIOM…