Des chercheurs du MIT et de l'Université du Colorado ont fabriqué un transistor 3D qui fait moins de la moitié de la taille des plus petits modèles commerciaux d'aujourd'hui. Faire cela, ils ont développé une nouvelle technique de microfabrication qui modifie le matériau semi-conducteur atome par atome.

L'inspiration derrière le travail était de suivre la loi de Moore, une observation faite dans les années 1960 que le nombre de transistors sur un circuit intégré double environ tous les deux ans. Pour adhérer à cette "règle d'or" de l'électronique, les chercheurs trouvent constamment des moyens d'entasser autant de transistors que possible sur des micropuces. La dernière tendance est aux transistors 3D qui se tiennent verticalement, comme des nageoires, et mesurent environ 7 nanomètres de diamètre, des dizaines de milliers de fois plus fins qu'un cheveu humain. Des dizaines de milliards de ces transistors peuvent tenir sur une seule puce, qui est à peu près de la taille d'un ongle.

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

Des méthodes similaires de gravure au niveau atomique existent aujourd'hui, mais la nouvelle technique est plus précise et produit des transistors de meilleure qualité. De plus, il réutilise un outil de microfabrication commun utilisé pour déposer des couches atomiques sur des matériaux, ce qui signifie qu'il pourrait être rapidement intégré. Cela pourrait permettre des puces informatiques avec beaucoup plus de transistors et de meilleures performances, disent les chercheurs.

"Nous pensons que ce travail aura un grand impact dans le monde réel, " dit le premier auteur Wenjie Lu, un étudiant diplômé du Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT. « Alors que la loi de Moore continue de réduire la taille des transistors, il est plus difficile de fabriquer de tels dispositifs nanométriques. Pour concevoir des transistors plus petits, nous devons être capables de manipuler les matériaux avec une précision au niveau atomique."

Rejoindre Lu sur le papier sont :Jesus A. del Alamo, un professeur de génie électrique et d'informatique et un chercheur MTL qui dirige le Xtreme Transistors Group; Lisa Kong '18, récemment diplômée du MIT; postdoctorant MIT Alon Vardi; et Jessica Murdzek, Jonas Gertsch, et le professeur Steven George de l'Université du Colorado.

Atome par atome

La microfabrication implique un dépôt (croissance d'un film sur un substrat) et une gravure (gravure de motifs en surface). 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 gravés avec des produits chimiques, tandis que le matériel caché derrière le photomasque reste.

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

Les techniques ALE traditionnelles utilisent un plasma avec des ions hautement énergétiques qui éliminent les atomes individuels à la surface du matériau. Mais ceux-ci causent des dommages de surface. Ces méthodes exposent également le matériau à l'air, où l'oxydation provoque des défauts supplémentaires qui nuisent aux performances.

En 2016, l'équipe de l'Université du Colorado a inventé l'ALE thermique, une technique qui ressemble étroitement à l'ALD et repose sur une réaction chimique appelée « échange de ligands ». Dans ce processus, un ion dans un composé appelé ligand - qui se lie aux atomes de métal - est remplacé par un ligand dans un composé différent. Lorsque les produits chimiques sont purgés, la réaction amène les ligands de remplacement à retirer des atomes individuels de la surface. Encore à ses balbutiements, ALE thermique a, jusque là, n'a été utilisé que pour graver des oxydes.

Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont modifié l'ALE thermique pour travailler sur un matériau semi-conducteur, 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 salué comme un plus rapide, alternative plus efficace au silicium.

Les chercheurs ont exposé le matériau au fluorure d'hydrogène, le composé utilisé pour les travaux ALE thermique d'origine, qui forme une couche atomique de fluorure métallique à la surface. Puis, 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, les atomes individuels suivent.

La technique est répétée sur des centaines de cycles. Dans un réacteur séparé, les chercheurs ont alors déposé la « porte, " l'élément métallique qui commande l'allumage ou l'extinction des transistors.

Dans les expériences, les chercheurs n'ont retiré que 0,02 nanomètre de la surface du matériau à la fois. "Tu es en train d'éplucher un oignon, couche par couche, " dit Lu. " A chaque cycle, nous pouvons graver seulement 2 pour cent d'un nanomètre d'un matériau. Cela nous donne une très grande précision et un contrôle minutieux du processus."

Parce que la technique est si similaire à l'ALD, "vous pouvez intégrer cette ALE thermique dans le même réacteur où vous travaillez sur le dépôt, " dit del Alamo. Cela nécessite juste une "petite refonte de l'outil de dépôt pour gérer les nouveaux gaz pour faire le dépôt immédiatement après la gravure. … C'est très attrayant pour l'industrie.

Plus mince, de meilleures "nageoires"

En utilisant la technique, les chercheurs ont fabriqué des FinFET, Transistors 3-D utilisés dans de nombreux appareils électroniques commerciaux d'aujourd'hui. Les FinFET sont constitués d'une fine "ailette" de silicium, debout verticalement sur un substrat. La porte est essentiellement enroulée autour de l'aileron. En raison de leur forme verticale, de 7 à 30 milliards de FinFET peuvent se glisser sur une puce. Depuis cette année, Pomme, Qualcomm, et d'autres entreprises technologiques ont commencé à utiliser des FinFET de 7 nanomètres.

La plupart des FinFET des chercheurs mesuraient moins de 5 nanomètres de largeur - un seuil souhaité dans l'industrie - et environ 220 nanomètres de hauteur. De plus, la technique limite l'exposition du matériau aux défauts causés par l'oxygène qui rendent les transistors moins efficaces.

L'appareil a fonctionné environ 60 pour cent mieux que les FinFET traditionnels en "transconductance, " rapportent les chercheurs. Les transistors convertissent une petite tension d'entrée en un courant délivré par la grille qui allume ou éteint le transistor pour traiter les 1 (activé) et les 0 (désactivé) qui commandent le calcul. La transconductance mesure la quantité d'énergie nécessaire pour convertir cette tension.

La limitation des défauts conduit également à un contraste on-off plus élevé, disent les chercheurs. Idéalement, vous voulez qu'un courant élevé circule lorsque les transistors sont allumés, pour gérer des calculs lourds, et presque aucun courant ne circule quand ils sont éteints, pour économiser de l'énergie. "Ce contraste est essentiel pour fabriquer des commutateurs logiques efficaces et des microprocesseurs très efficaces, " del Alamo dit. "Jusqu'à présent, nous avons le meilleur ratio [parmi les FinFET]."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.