De nouvelles mesures de la conductivité du silicium sous contrainte.

En mesurant une amélioration de la conductivité du silicium au-delà de la pression de 1 gigapascal, des physiciens viennent de montrer que la technologie du silicium sous contrainte n’a pas encore atteint ses limites. Les microprocesseurs actuels utilisent la technologie du « silicium sous contrainte ». Les déformations du cristal de silicium sous l’effet de contraintes locales améliorent la mobilité des électrons : les composants sont alors plus rapides et moins énergivores. Des prédictions théoriques suggéraient que la mobilité des électrons cessait de croître au-delà de 1 gigapascal, c’est-à-dire de la contrainte utilisée dans les dispositifs actuels. Grâce à une nouvelle méthode de mesure simple et directe, des physiciens français du Laboratoire Physique de la matière condensée (CNRS / Ec. Polytechnique) et de l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (CNRS / Univ. Lille 1 / Univ. Valencienne / ISEN / Ec. Centrale Lille), et suisses ont montré que s’il y a une limite à l’augmentation de la mobilité, celle-ci est au-delà de la pression de 3 gigapascals. Ce résultat, publié dans la revue Physical Review Letters, suggère qu’il reste pertinent de poursuivre le développement et les investissements dans la technologie du « silicium sous contrainte » qui n’a pas encore atteint ses limites.

Les physiciens ont mesuré la conductivité d’échantillons de silicium épais de 400 micromètres et d’une surface de l’ordre du millimètre carré, tout en leur appliquant une pression pouvant atteindre jusqu’à 3 gigapascals. Pour une orientation du cristal selon l’axe cristallin <100>, lorsque la pression augmente, la conductivité diminue jusqu’à ce que la pression atteigne 1 gigapascal, puis cette diminution sature, c’est-à-dire que la conductivité ne diminue plus, mais reste constante. En revanche, lorsque l’étude est menée sur les axes <110> et <111>, la conductivité augmente linéairement avec la pression jusqu’à une pression de 3 gigapascal. A cette pression, elle est plus de 6 fois supérieure à sa valeur de référence, c’est-à-dire supérieure à la valeur de saturation prédite jusqu’à présent valant 4,5 fois la valeur de référence. De nouvelles estimations théoriques, présentées dans cette publication, expliquent cette absence de saturation. Ces résultats pourraient avoir des conséquences importantes dans un proche avenir pour l’industrie microélectronique, car ils suggèrent la pertinence d’investir dans cette technologie du « silicium sous contrainte » pour fabriquer des transistors PMOS encore plus performants.

Image démontrant la façon dont les contraintes supérieures à 3 GPa sont obtenues

Une force cyclique (augmentation puis diminution linéaire en temps dans une direction perpendiculaire à la page) est appliquée à l’échantillon pendant qu’on mesure ses propriétés électriques. Avant le premier cycle (à gauche) l’échantillon à une forme quelconque. Ensuite, la force appliquée augmente jusqu’au moment (F_max) où les bords de l’échantillon se cassent, puis est diminuée à nouveau à zéro. Le deuxième cycle commence par une ré-augmentation de la force sur l’échantillon qui maintenant a une surface plus petite qu’au début. Grâce à cette diminution de surface, la force F_max, qui est à peu près constante, donne lieu à une contrainte plus grande (i.e. pression = force/surface). Ce processus peut être répété jusqu’à 6 ou 7 fois avant que l’échantillon soit entièrement pulvérisé. Les contraintes appliquées au dernier cycle sont très grandes parce que l’échantillon est très petit.