Le "code de performance" des procédés de fabrication avancés : Les terres rares rendent les transistors "plus économes en énergie et rapides"

Lorsque le processus de fabrication entre dans la gamme des moins de 7 nanomètres, l'épaisseur de la couche diélectrique de grille des transistors est inférieure à 5 nanomètres - ce qui équivaut à 30 atomes alignés côte à côte. À ce stade, le diélectrique traditionnel en dioxyde de silicium (SiO₂) fuira en raison de l'"effet tunnel", gaspillant de l'énergie comme une "batterie qui fuit". L'ajout d'éléments de terres rares a permis aux semi-conducteurs de franchir cette limite physique.

Le processus diélectrique à constante diélectrique élevée (high-k) est au cœur de la solution. Actuellement, le matériau high-k dominant est l'oxyde d'hafnium (HfO₂), mais la constante diélectrique (valeur k) du HfO pur₂ est d'environ 25, ce qui est encore insuffisant pour supporter le processus à 3 nanomètres. Par conséquent, deux éléments de terres rares, le lanthane (La) et l'yttrium (Y), ont été "invités" dans la couche diélectrique : une couche de quelques angströms d'oxyde de lanthane (La₂O₃) est déposée sur la surface du HfO₂. Après recuit à haute température, les ions lanthane diffuseront à l'interface entre le diélectrique et le silicium, formant des "dipôles d'interface", ce qui revient à installer un "régulateur de tension" pour le transistor, réduisant la tension de seuil de plus de 0,2 V. Cela signifie que, pour les mêmes performances, la consommation d'énergie de la puce peut être réduite de 30 % ; pour la même consommation d'énergie, la vitesse de commutation peut être augmentée de 20 %.

Cette "autonomisation par les terres rares" s'étend également à des domaines plus pointus. Le laser thulium (Tm) développé par le Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis utilise des ions thulium pour générer des lasers de 2μm, ce qui devrait augmenter l'efficacité des sources de lumière EUV de 0,02 % actuellement à 0,2 % - cela signifie que la consommation d'énergie des machines de lithographie peut être réduite de 90 % et que le coût peut être divisé par deux. Dans le domaine RF 5G, les films de nitrure d'aluminium et de scandium (AlScN), grâce à l'ajout de scandium (Sc), ont une performance piézoélectrique trois fois supérieure à celle du nitrure d'aluminium pur (AlN), ce qui en fait le "roi de la performance" des filtres BAW et détermine directement si les téléphones mobiles peuvent atteindre une communication à haut débit dans la bande haute fréquence 5G.