Brevet FR2522200A1 — publié le 19830826

1. La présente invention concerne les techniques de réalisation de microcircuits pour applications en micro- électronique, et notamment pour les circuits du type à jonc- tions Josephson. Les développements foudroyants des microcomposants électroniques à l'état solide ont abouti, ces dernières an- nées, à la réalisation de circuits ultra-compacts dans la technique dite à grande intégration (Large Scale Integration, L.S I) permettant de former quelques milliers de composants actifs, tels que des transistors, sur un même substrat de silicium Cette technologie se trouve actuellement confron- tée, pour passer au stade suivant de-la très grande intégra- tion (Very Large Scale Integration V L S I), aux problèmes de résolution pour la réalisation des motifs actifs Malgré les prouesses de la microphotolithographie, la réalisation du masque notamment au travers duquel s'effectue l'exposi- tion des différentes couches formées sur le substrat semi- conducteur ne permet guère de descendre au-dessous d'une résolution de l'ordre d'une paire de microns (malgré des propos théoriques annonçant une résolution de l'ord-re du de- mi-micron) La réalisation de tels masques est obtenue par faisceaux d'électrons pilotés par calculateur Une fois le masque mis en place, la couche sensible est exposée à un rayonnement ou soumise sélectivement à des réactions chimi- ques C'est ainsi que des zones d'une couche de silicium 2522200 O 2. peuvent être rendues sélectivement isolantes par oxydation du silicium en silice. Le domaine des conducteurs de basse dimensionnali- té, et notamment les conducteurs unidimensionnels a fait l'objet depuis quelques temps de recherches poussées, essen- tiellement de la part des équipes auxquelles appartiennent les inventeurs de la présente demande, notamment pour les propriétés,dans certaines conditions, de supraconduction de ces conducteurs On peut définir de façon générique, les conducteurs de basse dimensionnalité intéressant la présente invention, comme des matériaux ayant une su face de Fermi ou- verte Les conducteurs quasi-unidimensionnels (Q 1 D) et leurs alliages possèdent en particulier une surface de Fermi quasi- planaire Il a ainsi été constaté que les conducteurs organi- ques potentiellement supraconducteurs devenaient isolants sous l'application d'un champ magnétique transverse important, de l'ordre de quelques Tesla Toutefois, dès la supression de ce champ magnétique, le conducteur recouvre Instantanément son état de conduction électrique. La présente invention a pour objet de proposer un procédé de réalisation de microcircuits, et les microcircuits ainsi obtenus, constitués d'un substrat d'un conducteur qua- si-unidimensionnel (Q 1 D) dans lequel sont formés sélective- ment des motifs de zones conductrices et isolantes. Les inventeurs ont en effet constaté que, à la dif- férence de l'application d'un champ magnétique, par irradia- tion de particules de moyenne ou haute énergie, les conduc- teurs quasi-unidimensionnels devenaient irréversiblement isolants. Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, pour l'obtention d'un microcircuit du type susmentionné,le substrat de conducteur quasi-unidimensionnel est irradié sui- vant des zones déterminées par un faisceau fin de particules d'énergie supérieure ou égale à 1 ke V. Une constatation similaire a été faite pour cer- tains conducteurs quasi-unidimensionnels présentant normale- ment,à basse température des caractéristiques d'isolants et qui,irradiés dans les mêmes conditions,deviennent irréversible- 3 2522200 ment conducteurs à ces mêmes basses températures. Dans le premier cas susmentionné, l'irradiation fournit des zones isolantes ayant une structure d'isolant dite désordonnée, les zones non irradiées conservant leurs qualités de conduction, voire de supraconduction à basse température. Dans le second cas, le matériau quasi-unidimen- sionnel ayant une structure isolante dite de Peierls ou de Slater voit les zones irradiées devenir irréversiblement conductrices. Les microcircuits obtenus suivant le procédé de l'invention se révèlent particulièrement intéressants dans des utilisations à basses températures, à partir de la tem- pérature de l'azote liquide ( 770 K), et notamment aux très basses températures pour la réalisation de circuits supra- conducteurs utilisant des jonctions tunnel du type Josephson immédiatement réalisables par pilotage du faisceau de particules lors de la formation des zones conductrices et isolantes. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description suivante, faite notamment en relation avec le dessin annexé, sur le- quel: - La figure unique représente schématiquement la réa- lisation de jonctions Josephson directement sur un substrat de conducteur quasi-unidimensionnel suivant le procédé de l'invention. La majeure partie des conducteurs quasi-unidimen- sionnels sont constitués de conducteurs organiques, quoique certains composés non organiques présentent également des caractéristiques similaires, comme on le verra par la suite. De nombreux conducteurs organiques ont été réalisés On peut ainsi citer les composés TTF-TCNQ, (TTT)2 13, TMTTF-TCNQ et les mo- lécules correspondantes dans lesquelles le soufre est rem- placé par du sélénium Une classe particulièrement importan- te de ces produits est constituée par la famille (TMTSF)2 X, o TMTSFle 2 '2-Bi-4,5-diméthyl-1,3-disélénolylidènel est la molécule organique constituant l'élément de base et X est un 4 2522200 anion inorganique assurant la formation du sel de cation radicalaire, X étant choisi parmi le groupe comprenant PF 6, As F 6, Sb F, Ta F 6, Re O 4 et cl O 4 et autres anions monovalents. Les composés de cette dernière famille présentent tous des caractéristiques de supra-conduction à des températures bas- ses, les températures de transition pouvant être augmentées pour les composés réticulés obtenus par le procédé décrit dans la demande de brevet français n O 81/14291 du 22 juillet 1981. Comme susmentionné, en irradiant ces composés avec un faisceau fin de particules ionisantes (ruyon X ou y) ou encore d'électrons, avec une énergie supérieure à 1 ke V, de préférence supérieure à 8 ke V, les zones irradiées pren- nent de façon irréversible une structure d'isolant désordon- né qui se conserve par exemple quand le composé est amené de la température ambiante à la température cryogénique o les zones non irradiées deviennent supraconductrices On peut ob- tenir, une résolution sub-micronique, pouvant descendre jus- qu'à 100 Angstroms et réaliser ainsi des motifs alternati- vement conducteurs et isolants sur un substrat cristallin,ou un film polycristallin ou orienté obtenu par exemple par évaporation en surface On a représenté sur la figure uni- que un procédé de réalisation de microcircuits o le faisceau de particules I, piloté par ordinateur est en train de for- mer sur la surface du substrat S une zone isolante 10 inter- rompant un ruban conducteur 11 pour la réalisation d'une jonction tunnel Josephson Ce procédé permet de réaliser des jonctions Josephson en série, comme représenté sur la partie gauche de la figure Sur la partie droite de la figure, on a représenté, obtenue de la même façon par balayage d'un faisceau, une structure "SQUID" II ce Device"l. En mettant en oeuvre la technique selon l'inven- tion, on peut ainsi réaliser des microcircuits utilisables à des températures cryogéniques pour la mise en oeuvre de tou- tes les techniques utilisant l'effet Josephson, par exemple pour réaliser des détecteurs (par rectification de la non-li- néarité quasi-particulaire), des amplificateurs (par modula- 2522200 tion magnétique du courant critique SQUID), des portes lo- giques ou des mémoires (en enfermant le flux d'information dans des boucles supraconductrices) On peut également réa- liser des générateurs, des transducteurs ou des dispositifs micrométriques à réseaux de jonctions Josephson. Les études ont démontré que les modifications de structure créées par le faisceau de particules se produi- sent sur une épaisseur e qui est fonction de l'énergie des particules incidentes Des électrons de 40 ke V à 100 ke V pro- lo duisent une modification uniforme sur des épaisseurs de 10 à lm respectivement L'épaisseur de la région délimitant la frontière entre une zone conductrice et une zone isolan- te est de l'ordre du micron, de sorte qu'il est-concevable de fabriquer par irradiation des gravures soit sur toute l'épaisseur de l'échantillon, en utilisant un rayonnement d'énergie initiale suffisante, soit sur une portion de l'épaisseur en limitant l'énergie initiale des particules. Il est ainsi possible d'envisager des techniques de gravure tridimensionnelles et non plus simplement bidimensionnelles. Dans l'optique d'une technologie utilisant l'effet Josephson, on utilisera de préférence (TMTSF)2 C 104 qui de- vient supraconducteur au-dessous de 1,250 K sous pression atmosphérique Pour le supraconducteur organique (TMTSF)2 PF 6, la température de transition supraconductrice se situe au-dessus de 10 K sous forte pression Cependant, les composés de la série (TMTSF)2 X présentent un régime précurseur de l'état supraconducteur dès les températures inférieures à 400 K Ces effets précurseurs ont pour effet d'augmenter con- sidérablement la conductivité à basse température Le tableau ci-dessous donne, pour le composé (TMTSF)2 PF 6, les profon- deurs de pénétration et les doses critiques h C exprimées en millicoulombs par centimètre carré, pour trois énergies typi- ques des électrons de bombardement, de façon que la résis- tivité de la zone irradiée soit à 40 K, au moins 1 000 fois plus forte que la résistivité de l'état métallique de départ à la même température à 4,2 KP (e C,4,2 K) > l OOOP ( 4,2 K). Cette relation reste vraie sur tout le parcours de l'électron. -J 6 2522200 TABLEAU Comme mentionné plus haut, un comportement similai- re se retrouve chez des supraconducteurs quasi-unidimen- sionnels inorganiques tels que Nb Se 3 Toutefois, dans ce cas, il faut travailler avec des flux de particules de plusieurs centaines de ke V pénétrant plusieurs centaines de microns du substrat Avec Nb Se 3, par exemple, il faut une dose de 300 m C/cm 2 (pour des électrons d'énergie 3 Me V) pour passer d'un état de très faible résistivité de 20 A cm à un état isolant désordonné de 6,50 cm. Dans la seconde approche évoquée plus haut, o l'irradiation forme dans un substrat isolant à structure de Peierls des zones conductrices, on peut citer, parmi les 2 ^ composés présentant à basse température ces propriétés iso- lantes, TMTSF-DMTCN QflDMTCNQ = 2,5-diméthyl-7,7 ',8,8 '-tétra- cyanoquino diméthanel Ce composé a, par exemple, à 4,2 K une résistivité P 42 10,4 2 cm Pour faire passer, à cet- te même température, certaines parties du composé cristal- lin de cet état isolant à un état 1 000 fois plus conduc- teur (p(C, 4,2) = 110 cm), il suffit d'une dose de 0,75 m C/cm d'électrons de 40 ke V ou 3 m C/cn 2 d'électrons de 1 Me V. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. Energie des élec Profondeur de trons _pénétration ke V 1 m C/cm 2 200 pm ke V 2 m C/cm 2 100 1 m 1 Me V 4 m C/cm 2 4 mm 7 2522200 REVENDICATIONS 1 Microcircuit, caractérisé en ce qu'il com- prend un substrat d'un conducteur de basse dimensionnalité (S) dans lequel est formé un motif de zones conductrices ( 11) et isolantes ( 10) alternées. 2 Microcircuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le substrat ( 1) est un conducteur quasi-uni- dimensionnel - 3 Microcircuit selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les zones isolantes ( 10) sont à structure de type isolant désordonné. 4 Microcircuit selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les zones isolantes ( 10) sont à structure d'isolant du type de Peierls. 5 Microcircuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est utilisé à une température inférieure à 77 K. 6 Microcircuit selon la revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat (S) est TMTSF DMTCNQ. 7 Microcircuit selon la revendication 3 et la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat (S) est (TMTSF)2 C 104. 8 Microcircuit selon la revendication 3 et la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat (S) est un composé non-organique - 9 Microcircuit selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'il est utilisé dans des conditions de tempe- rature o les zones conductrices ( 11) sont supraconductrices. 10 Microcircuit selon la revendication 9, carac- térisé en ce que le motif des zones conductrices ( 11) et iso- lantes ( 10) forme des jonctions Josephson. 11 Procédé de réalisation d'un microcircuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à irra- dier des zones déterminées du substrat (S) avec un fais- ceau fin de particules d'énergie supérieure à 1 ke V. 12 Procédé selon la revendication 11, pour la 8 2522200 réalisation de microcircuits selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le balayage du faisceau forme les zones isolantes ( 10). 13 Procédé selon la revendication 11 pour la réalisation de microcircuits selon la revendication 4, caractérisé en ce que le balayage du faisceau forme des zo- nes conductrices ( 11).