Des ingénieurs ont conçu le plus petit transistor 3D jamais construit

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Des chercheurs du MIT et de l’Université du Colorado ont fabriqué un transistor 3D qui représente moins de la moitié de la taille des plus petits modèles commerciaux actuellement sur le marché. Pour ce faire, ils ont développé une nouvelle technique de microfabrication qui modifie un semi-conducteur atome par atome.

Un transistor 3d construit atome par atome

L’inspiration derrière ce travail était de suivre la loi de Moore, une observation faite dans les années 1960 selon laquelle le nombre de transistors sur un circuit intégré double tous les deux ans environ. Pour respecter cette «règle d’or» de l’électronique, les chercheurs cherchent constamment à mettre le plus de transistors possible dans des puces.

La dernière tendance est celle des transistors 3D qui se dressent verticalement, comme des ailettes, et mesurent environ 7 nanomètres de diamètre – des dizaines de milliers de fois plus fins qu’un cheveu. Des dizaines de milliards de ces transistors peuvent tenir sur une seule puce, qui a à peu près la taille d’un ongle.

Comme décrit dans un article présenté cette semaine à la réunion internationale de l’IEEE sur les dispositifs électroniques, les chercheurs ont modifié une technique de gravure chimique récemment inventée, appelée gravure thermique au niveau atomique (thermal ALE), pour permettre la modification des matériaux semi-conducteurs au niveau atomique. En utilisant cette technique, les chercheurs ont fabriqué des transistors 3D aussi petits que 2,5 nanomètres et plus efficaces que leurs homologues commerciaux.

Des méthodes de gravure atomique similaires existent déjà, mais cette nouvelle technique est plus précise et permet d’obtenir des transistors de meilleure qualité. De plus, elle réutilise un outil de microfabrication commun utilisé pour déposer des couches atomiques sur des matériaux, ce qui signifie qu’elle pourrait être rapidement intégrée dans un processus de fabrication de grande envergure. Cela pourrait permettre aux puces informatiques d’avoir plus de transistors et d’offrir de meilleures performances, expliquent les chercheurs.

« Nous pensons que ce travail aura un impact considérable sur le monde de l’électronique », a déclaré le premier auteur, Wenjie Lu, un étudiant diplômé des Laboratoires de microsystèmes de technologie (MTL) du MIT. «La loi de Moore continuant de réduire la taille des transistors, il est difficile de fabriquer de tels dispositifs de taille nanométrique. Pour concevoir des transistors plus petits, nous devons être capables de manipuler les matériaux avec une précision au niveau atomique. »

Jesus A. del Alamo, professeur en génie électrique et en informatique et chercheur au LTM, dirige le groupe Xtreme Transistors; et la récente diplômée du MIT, Lisa Kong; les postdoc Alon Vardi, Jessica Murdzek, Jonas Gertsch et le professeur Steven George de l’Université du Colorado, ont tous participé à cette recherche.

La microfabrication par dépôt de couche atomique

La microfabrication implique un dépôt et une gravure. Pour former des transistors, la surface du substrat est exposée à la lumière à travers des photomasques ayant la forme et la structure du transistor. Tous les matériaux exposés à la lumière peuvent être corrodés par des produits chimiques, alors qu’il reste des matériaux cachés derrière le photomasque.

Les techniques de pointe en matière de microfabrication sont connues sous le nom de dépôt par couche atomique (ALD) et de gravure par couche atomique (ALE). Dans l’ALD, deux produits chimiques sont déposés sur la surface du substrat et réagissent l’un avec l’autre dans un réacteur à vide pour former un film de l’épaisseur souhaitée, et ce, une couche atomique à la fois.

Les techniques ALE traditionnelles utilisent un plasma avec des ions hautement énergétiques qui enlèvent les atomes un à la fois, à la surface du matériau. Mais ceux-ci causent des dégâts de surface. Ces méthodes exposent également les matériaux à l’air, où l’oxydation provoque des défauts qui entravent les performances.

En 2016, l’équipe de l’Université du Colorado a inventé l’ALE thermique, une technique qui ressemble beaucoup à l’ALD et qui repose sur une réaction chimique appelée «échange de ligands». Dans ce processus, un ion d’un composé appelé ligand – qui se lie aux atomes de métal – est remplacé par un ligand dans un différent composé. Lorsque les produits chimiques sont retirés, la réaction amène les ligands de remplacement à éliminer les atomes de la surface. Encore à ses débuts, l’ALE thermique n’a jusqu’à présent été utilisée que pour graver des oxydes.

Un matériau semi-conducteur d’arséniure d’indium-gallium 

Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont modifié l’ALE thermique pour travailler sur un matériau semi-conducteur, en utilisant le même réacteur réservé à l’ALD. Ils ont utilisé un matériau semi-conducteur allié, appelé arséniure d’indium-gallium (ou InGaAs), qui est de plus en plus considéré comme une alternative plus rapide et plus efficace au silicium.

Les chercheurs ont exposé ce matériau au fluorure d’hydrogène, le composé utilisé dans le travail thermique initial de l’ALE, qui forme une couche atomique de fluorure métallique à la surface. Ensuite, ils ont versé un composé organique appelé chlorure de diméthylaluminium (DMAC). Le processus d’échange de ligand se produit sur la couche de fluorure métallique. Lorsque le DMAC est purgé, des atomes individuels suivent pour former la base d’un transistor.

Cette technique est répétée sur des centaines de cycles. Dans un réacteur séparé, les chercheurs ont ensuite déposé une «grille» – l’élément métallique qui commande l’allumage ou l’extinction des transistors.

Lors des expériences, les chercheurs ont éliminé à peine 0,02 nanomètre de la surface du matériau à la fois. « Vous épluchez un oignon, couche par couche », explique Lu. «À chaque cycle, nous ne pouvons graver que 2% du nanomètre d’un matériau. Cela nous donne une très grande précision et un contrôle minutieux du processus. »

Parce que cette technique est très similaire à ALD, «vous pouvez intégrer cette technique ALE thermique dans le même réacteur que celui où vous travaillez sur le dépôt», explique del Alamo. Cela nécessite simplement une « petite refonte de l’outil de dépôt pour gérer les nouveaux gaz afin de procéder au dépôt immédiatement après la gravure. C’est très attrayant pour l’industrie.

Plus mince et plus efficace

En utilisant cette technique, les chercheurs ont fabriqué des transistors 3D à FinFET, utilisés dans de nombreux dispositifs électroniques commerciaux actuels. Les FinFETs sont constitués d’une fine « nageoire » en silicium, posée verticalement sur un substrat. La porte est essentiellement enroulée autour de la dérive. En raison de leur forme verticale, de 7 à 30 milliards de FinFET peuvent se glisser sur une puce. Dès cette année, Apple, Qualcomm et d’autres sociétés de technologie ont commencé à utiliser des FinFET de 7 nanomètres.

La plupart des FinFETs des chercheurs mesuraient moins de 5 nanomètres – un seuil souhaité par l’industrie – et une hauteur d’environ 220 nanomètres. De plus, cette technique limite l’exposition du matériau aux défauts causés par l’oxygène qui rendent les transistors moins efficaces.

60% supérieurs aux FinFETs traditionnels

Les résultats obtenus par l’appareil sont environ 60% supérieurs à ceux des FinFETs traditionnels en matière de «transconductance». Les transistors convertissent une petite entrée de tension en un courant délivré par la porte qui active ou désactive le transistor pour traiter les 1 (activés) et les 0 (désactivés) qui commandent le calcul d’une puce électronique. La transconductance mesure la quantité d’énergie nécessaire pour convertir cette tension.

Limiter les défauts entraîne également un contraste plus élevé, expliquent les chercheurs. Idéalement, vous souhaitez que le courant circule lorsque les transistors sont sous tension, afin de gérer des calculs lourds, et presque pas de courant lorsque vous êtes hors tension, afin d’économiser de l’énergie. «Ce contraste est essentiel pour obtenir des commutateurs logiques efficaces et des microprocesseurs très performants», a déclaré del Alamo. « Jusqu’à présent, nous avons le meilleur ratio parmi les FinFETs. »

Grâce aux travaux de ces chercheurs, la loi de Moore est conservée et les futurs appareils électroniques pourront quand même évoluer quant à leur performance de calcul; ce qui est essentiel pour concevoir par exemple des ordinateurs plus puissants.

Source : MIT
Crédit photo sur Unsplash : Domenico Loia

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