Brevet FR2845519A1 — publié le 20040409

PROCEDE DE FABRICATION DE NANO-STRUCTURE FILAIRE DANS UN FILM SEMI- CONDUCTEUR Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un procédé de fabrication de nano-structure filaire dans un film semi-conducteur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour la réalisation de nano-circuits et, plus particulièrement, pour la 10 réalisation de nano-circuits MOS (MOS pour " Métal Oxyde Semi-conducteur "). Selon l'art connu, la fabrication de nanostructures filaires dans les films semi-conducteurs s'effectue par lithographie DUV (DUV pour " Deep Ultra 15 Violet "), par lithographie par faisceau d'électrons, ou encore par alternance de lithographie et de lithogravure masquée. Dans ce dernier cas, il est alors possible de doubler la résolution des structures obtenues. Les plus petites nano-structures filaires obtenues à ce jour ont une largeur sensiblement égale à nm. Cette limitation s'oppose à la conception de nano-circuits de dimensions plus petites ayant, par 25 exemple, des dimensions de l'ordre de la dizaine de manomètres. L'invention ne présente pas cet inconvénient. B 14211.3 PR Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un procédé de fabrication de nano-structure filaire. Le procédé comprend: - la fabrication d'un film mince semi-conducteur dopé s'étendant entre une première borne et une deuxième borne, et - le passage d'un courant entre la première et la deuxième borne de façon à former au moins une 10 surépaisseur continue dans le film mince semiconducteur dopé, par migration, sous l'action du courant, d'une fraction du matériau semiconducteur dopé, la surépaisseur continue se formant selon la direction du courant qui parcourt le film. L'invention concerne également un procédé de gravure de couche par masque dur qui utilise comme masque dur une nano-structure filaire obtenue par le procédé de fabrication de nano-structure filaire selon l'invention. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le semi- conducteur dopé est du silicium dopé n. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 représente un film mince de semi30 conducteur dopé pour la réalisation d'une nanostructure filaire selon l'invention; B 14211.3 PR - la figure 2 représente une nano-structure filaire obtenue suite au passage d'un courant dans un film mince de semi-conducteur dopé tel que représenté en figure 1 i - la figure 3 représente une vue en coupe de la structure représentée en figure 2; - la figure 4 représente une étape supplémentaire pour la formation de nano-fils à partir de la nanostructure filaire représentée en figure 2; - les figures 5A et 5B représentent des étapes de gravure utilisant la nano-structure filaire obtenue précédemment comme masque de gravure. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de 15 l'invention La figure 1 représente un film mince de semiconducteur dopé pour la réalisation d'une nanostructure filaire selon l'invention. Selon le mode de réalisation préférentiel de 20 l'invention, le film mince de semi-conducteur dopé 1 est un film mince de silicium dopé n. Le film mince de silicium dopé n est formé sur une couche de silice 2 (SiO2) qui est elle-même formée sur une couche épaisse de silicium 3. La formation du film mince de silicium 25 dopé est réalisée par toute technique connue de lithographie et/ou par tout procédé connu de gravure. Il peut s'agir, par exemple, de la technique de lithographie AFM (AFM pour " Atomic Force Microscope ") qui est décrite dans l'article intitulé " Electronic 30 transport properties of single-crystal silicon nanowires fabricated using an atomic force B 14211.3 PR microscope ", publié dans Physica E, vol.13, 999-1002 (2002). Le film mince de semi-conducteur dopé 1 est connecté, à une première extrémité, à une première borne 4 et, à une deuxième extrémité, à une deuxième 5 borne 5. Les bornes 4 et 5 constituent des contacts électriques conducteurs. Elles sont réalisées, par exemple, en silicium dégénéré. A titre d'exemple non limitatif, les résultats qui vont être donnés ciaprès correspondent à un film 10 mince de silicium dopé n, d'épaisseur e typiquement comprise entre 15 et 20nm, de largeur 1 sensiblement égale à 0,7pm et de longueur L sensiblement égale à 1, 3Mm. La figure 2 représente un exemple de nano15 structure filaire obtenue suite au passage d'un courant dans un film mince de semi-conducteur dopé tel que représenté en figure 1 et la figure 3 est une vue en coupe transversale de la nano-structure filaire représentée en figure 2. Pour le passage du courant, la borne 4 est reliée à un potentiel VD, la borne 5 à un potentiel de référence VS (par exemple la masse du circuit), et la couche épaisse de silicium 3 à un potentiel de substrat VB. La différence de potentiel VD-VS conduit à l'apparition d'un courant dans le film semi-conducteur 1. De façon inattendue, la couche mince de silicium 1 voit sa structure se modifier lors du passage du courant. Cette modification consiste en l'apparition de 30 surépaisseurs qui se forment selon la direction du courant qui parcourt le film. B 14211.3 PR L'exemple de la figure 2 représente des surépaisseurs linéaires. L'invention concerne également d'autres formes de surépaisseurs dues au fait que la direction du courant qui parcourt le film n'est pas 5 nécessairement linéaire mais peut présenter d'autres formes. Dans l'exemple choisi, la modification de la structure est apparue pour une différence de potentiel VD-VS supérieure à 15V correspondant à une valeur de 10 densité de courant J sensiblement égale à 2.106 A.cm2. Selon l'exemple choisi, les surépaisseurs sont au nombre de 3, Ri, R2, R3. Elles ont chacune une largeur sensiblement égale à 45nm et une hauteur sensiblement égale à 7nm. La formation des surépaisseurs est due au 15 fait que la conductivité du film mince de silicium n'est pas uniforme. Des zones de conductivité élevée conduisent à une migration de matière et, partant, à la formation des surépaisseurs. La migration de matière s'effectue selon la direction du champ électrique, dans 20 le sens opposé à celui du courant d'électrons, contrairement à ce qui se passe lors du phénomène d'électro-migration avec les métaux. Les zones de surépaisseurs sont stables dans le temps. Il a ainsi été observé, après une durée de 30mn, que ces zones ne 25 varient pas de façon significative et que la valeur du courant qui les parcourt est sensiblement la même. Une application de différence de potentiel de 20V a conduit à la défaillance du circuit. De façon générale, il a été constaté que le 30 temps de passage du courant n'intervient pas dans la formation des surépaisseurs. Seule la densité du B 14211.3 PR courant dans le film semi-conducteur est à contrôler. La gamme des densités de courant aptes à la formation des surépaisseurs dépend du semi-conducteur. La valeur maximale est donnée par la limite au delà de laquelle 5 il y a une défaillance du circuit. Dans le cas du silicium, les surépaisseurs apparaissent pour une densité de courant sensiblement comprise entre 2.106A.cm2 et 4.106A.cm2. La figure 4 représente une étape supplémentaire 10 pour la formation de nano-fils à partir de la nanostructure filaire représentée aux figures 2 et 3. Le film mince 1 présent entre les surépaisseurs Ri, R2, R3 est alors gravé de sorte à former des nano-fils Fl, F2, F3 en surface de la couche de silice 2. Les figures 5A et 5B représentent des étapes de gravure utilisant la nanostructure filaire obtenue précédemment comme masque de gravure. La nanostructure filaire est tout d'abord reportée sur un empilement de couches 6, 7 (cf. figure 5A). Une gravure du film mince 20 1 et de la couche 6 présents entre les surépaisseurs Rl, R2, R3 conduit à la formation de nano-fils Fl, F2, F3 portés par des nano-structures respectives 6a, 6b, 6c (cf. figure 5B). Il est également possible d'obtenir une structure telle que représentée en figure 5B par 25 transfert des seuls fils Fl, F2, F3 sur la couche 6. Par ailleurs, dans le cas o il n'existe pas de procédé de gravure sélectif de la couche 6 par rapport au film mince semi-conducteur 1, il est également possible de faire appel, de façon connue en technologie SOI (SOI 30 pour "Silicon On Insulator"), à une couche B 14211.3 PR intermédiaire sur laquelle la nano-structure transférée avant l'étape de gravure de la couche 6. est B 14211.3 PR REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de nano-structure filaire, caractérisé en ce qu'il comprend: - la fabrication d'un film mince semi-conducteur dopé (1) s'étendant entre une première borne (4) et une deuxième borne (5), et - le passage d'un courant entre la première et la deuxième borne de façon à former au moins une 10 surépaisseur continue (Ri, R2, R3) dans le film mince semi-conducteur dopé, par migration, sous l'action du courant, d'une fraction du matériau semi-conducteur dopé, la surépaisseur continue se formant selon la direction du courant qui parcourt 15 le film. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film mince semi-conducteur dopé est obtenu par lithographie et/ou gravure d'une 20 couche mince de semi-conducteur dopé formée sur une couche d'isolant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, après la formation de la 25 surépaisseur linéaire du fait du passage du courant dans le film mince semi-conducteur dopé, ledit film mince est gravé pour former un ensemble de nano-fils (Fl, F2, F3). 4. Procédé de fabrication de nano-structure filaire selon l'une quelconque des revendications B 14211.3 PR précédentes, caractérisé en ce que le film mince semiconducteur dopé est une film mince de silicium dopé n. 5. Procédé de gravure de couche par masque dur, 5 caractérisé en ce qu'il utilise comme masque dur une nano-structure filaire obtenue par un procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. B 14211.3 PR