Hard du Hard • La Course aux Nanomètres - Partie 3

La Taille qui Compte

Et cette dimension, outre la densité de transistors sur la même surface, va influer sur les caractéristiques du transistor. Et notamment la plus importante à l'époque, son temps de commutation. Plus un transistor est petit, plus sa longueur de canal est courte, et plus vite, en théorie, il passe d'un état fermé à un état ouvert.

La commutation d'un transistor. Lorsque la grille est polarisée, un canal de porteurs de charges (électrons ou manque d'électrons) se déploie de la source au drain.

Le transistor CMOS planaire a plus généralement un comportement tout à fait modélisable, et il est possible (et même assez facile) de calculer ce que seraient les caractéristiques d'un transistor planaire parfait de 5 nm de demi-pitch.

Sauf que pour faire un transistor, il faut venir chercher le contact sur les différents motifs. Ce qui signifie qu'il va falloir graver trois contacts isolés entre eux, à peu près en triangle, avec la grille entre la source et le drain. La distance entre source et grille, ou entre grille et drain, en première approximation, sera donc limitée par la résolution de l’appareil de photolithographie utilisée pour faire la gravure des contacts, que l'on a vu à l'article précédent. Sa résolution, c'est sa capacité à faire des motifs proches mais distincts. On retrouve ici une grandeur liée à notre demi-pitch, avec une marge de sécurité.

Un simple transistor vu du dessus. La distance minimum entre deux motifs proches (les contacts) est limitée par la résolution de la photolithographie.

On peut calculer que la résolution minimale d’un système de photolithographie sera une fonction de la longueur d’onde de la lumière utilisée. Ce calcul implique deux constantes qui dépendent de notre technologie, le k1 et l’ouverture numérique (Numerical Aperture, NA). Si on diminue la longueur d’onde de la lumière utilisée pour la photolithographie ou le k1, ou si on augmente l'ouverture numérique, on peut diminuer l’écart entre les contacts, et donc on peut augmenter la densité des transistors sur la puce. Le k1 dépend notamment de l’alignement des masques de photolithographie, l’ouverture numérique de la conception du système de lentilles et de masques.

Les lampes à mercure qui servaient à insoler les résines de photolithographie dans les années 80 étaient largement suffisantes pour les puces. Celles-ci avaient des demi-pitch bien supérieur aux 436 nm de la litho g-line, une litho utilisant la raie G d’émission d’une lampe à mercure. L'utilisation d'une autre raie d'émission du mercure, la I-line plus énergétique, avait fait entrer la lithographie dans l'ultraviolet à la fin des années 80. La I-line a une longueur d'onde de 365 nm. La réduction des demi-pitch de transistors à cette taille fut atteinte en 1995.

L’introduction des lithographies par laser à excimère, aussi appelées photolithographies UV profond (deep UV, ou UV profond) à partir du milieu des années 90 ont un peu prolongé la période "facile" de la miniaturisation. Mais fondeurs arrivaient au bout de ce que les photolithographies de l'époque pouvaient résoudre.