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Contrôler la fabrication de composants électroniques au niveau atomique

Des chercheurs du MIT et de l'Université du Colorado viennent de fabriquer un transistor en 3 dimensions, moitié moins encombrant que ceux disponibles dans le commerce. Le processus de micro-fabrication développé permet de modifier atome par atome le matériau à semi-conducteurs. Cette équipe de recherche indique avoir modifié une technique de gravure chimique récemment inventée (gravure thermique au niveau atomique - thermal ALE en anglais) pour pouvoir manipuler avec précision des matériaux à semi-conducteurs, atome par atome. Ce procédé a permis de fabriquer des transistors d'une taille de 2,5 nm, bien inférieure à celle des composants de même type déjà commercialisés.

Des techniques similaires de gravure au niveau atomique existent déjà aujourd'hui, mais le nouveau procédé est plus précis et permet d'obtenir des transistors de meilleure qualité. L'outil de micro-fabrication est déjà utilisé pour effectuer des dépôts de couches atomiques sur des matériaux, ce qui permet d'envisager d'incorporer facilement cette technique dans les processus de fabrication existants. Il va donc être possible d'accroître la densité et les performances électriques des transistors d’une puce informatique.

La micro-fabrication de transistors se résume à deux opérations : dépôt (formation d'un film sur un substrat) et gravure (délimitation de motifs sur la surface). La surface du substrat est exposée à la lumière au travers de masques photographiques pour définir les contours et la structure du transistor. Le matériau exposé à la lumière est ensuite éliminé par gravure alors que le motif protégé par le masque photographique est préservé.

Ces techniques de micro-fabrication dernier cri sont baptisées ALD (Atomic Layer Deposition, ou dépôt de couches minces atomiques) et ALE (Atomic Layer Etching, ou gravure de couches au niveau atomique). Avec l’ALD, deux substances chimiques sont déposées à la surface du substrat et réagissent l'une avec l'autre dans un réacteur sous vide pour former un film de l'épaisseur souhaitée à l’aide de couches atomiques successives.

De leur côté, les techniques traditionnelles d’ALE utilisent un plasma avec des ions à haute énergie pour éliminer des atomes spécifiques à la surface du matériau. Ce processus provoque certains dommages de surface et expose le matériel à l'air, source d’autres défauts liés à l'oxydation et d'une dégradation des performances des transistors.

Le procédé de gravure thermique au niveau atomique (ALE thermique) de l’Université du Colorado est similaire à l’ALD et emploie une réaction chimique baptisée « ligand exchange » (ou échange de coordinats, en français). Dans ce processus, un ion contenu dans un composé appelé « coordinat » — où deux atomes métalliques sont liés — est remplacé par un coordinat d’un composé différent. Une fois les produits chimiques purgés, la réaction aboutit au remplacement des coordinats pour éliminer des atomes spécifiques à la surface du film. Jusqu'ici, cette technique n’avait été exclusivement utilisée que pour des opérations de gravure d'oxydes.

Les chercheurs ont réussi à modifier la gravure thermique au niveau atomique, mais avec le même réacteur que l’ALD. Pour ce faire, ils ont utilisé un alliage à semi-conducteurs (arséniure d'indium-gallium - InGaAs), alternative de plus en plus appréciée dans la fabrication de puces électroniques pour des questions de rapidité et d'efficacité par rapport au silicium.

La grille du transistor est créée dans un réacteur distinct par une opération de dépôt. Les chercheurs ont ainsi réussi à éliminer des tranches de 0,02 nm à la surface du matériau, avec à la clé une précision extrême et un contrôle rigoureux du processus. Le processus est similaire à l’ALD et permet l'intégration de la gravure thermique au niveau atomique dans le même réacteur que celui chargé du dépôt, ce qui assure la compatibilité avec les procédés industriels existants.

Cette technique a été utilisée pour fabriquer des composants FinFET. La configuration de ces composants, munis d'ailerons verticaux destinés à réduire leur encombrement, permet de rassembler 7 à 30 milliards de transistors sur une seule puce. Depuis cette année, Apple, Qualcomm et d’autres entreprises high-tech utilisent des transistors FinFET en 7 nm.

La plupart des FinFET obtenus par les chercheurs possèdent une largeur inférieure à 5 nm — seuil attendu dans l’industrie — pour une hauteur proche de 220 nm. Par ailleurs, ce procédé de fabrication limite les défauts liés à l'exposition à l'oxygène, source de détérioration des caractéristiques des transistors. La transconductance des transistors obtenus est supérieure de 60 % à celle des FinFET traditionnels et permet de réduire la consommation d'énergie en fonctionnement.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

MIT

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