Les applications d’IA émergentes, comme les chatbots qui génèrent un langage humain naturel, exigent des puces informatiques plus denses et plus puissantes. Mais les puces à semi-conducteurs sont traditionnellement fabriquées avec des matériaux massifs, qui sont des structures 3D carrées, il est donc très difficile d’empiler plusieurs couches de transistors pour créer des intégrations plus denses.
Cependant, des transistors à semi-conducteurs fabriqués à partir de matériaux 2D ultrafins, chacun d’environ trois atomes d’épaisseur, pourraient être empilés pour créer des puces plus puissantes. À cette fin, les chercheurs du MIT ont maintenant démontré une nouvelle technologie qui peut « développer » efficacement et efficacement des couches de matériaux de dichalcogénure de métal de transition (TMD) 2D directement sur une puce de silicium entièrement fabriquée pour permettre des intégrations plus denses.
La croissance de matériaux 2D directement sur une tranche de silicium CMOS a posé un défi majeur car le processus nécessite généralement des températures d’environ 600 degrés Celsius, tandis que les transistors et les circuits en silicium peuvent tomber en panne lorsqu’ils sont chauffés au-dessus de 400 degrés. Maintenant, l’équipe interdisciplinaire de chercheurs du MIT a développé un processus de croissance à basse température qui n’endommage pas la puce. La technologie permet d’intégrer directement des transistors semi-conducteurs 2D sur des circuits en silicium standard.
Dans le passé, les chercheurs ont cultivé des matériaux 2D ailleurs, puis les ont transférés sur une puce ou une plaquette. Cela provoque souvent des imperfections qui entravent les performances des dispositifs et circuits finaux. De plus, le transfert du matériau en douceur devient extrêmement difficile à l’échelle de la plaquette. En revanche, ce nouveau processus développe une couche lisse et très uniforme sur toute une tranche de 8 pouces.
La nouvelle technologie est également capable de réduire considérablement le temps nécessaire à la croissance de ces matériaux. Alors que les approches précédentes nécessitaient plus d’une journée pour développer une seule couche de matériaux 2D, la nouvelle approche peut développer une couche uniforme de matériau TMD en moins d’une heure sur des tranches entières de 8 pouces.
En raison de sa vitesse rapide et de sa grande uniformité, la nouvelle technologie a permis aux chercheurs d’intégrer avec succès une couche de matériau 2D sur des surfaces beaucoup plus grandes que celles précédemment démontrées. Cela rend leur méthode mieux adaptée à une utilisation dans des applications commerciales, où les tranches de 8 pouces ou plus sont essentielles.
« L’utilisation de matériaux 2D est un moyen puissant d’augmenter la densité d’un circuit intégré. Ce que nous faisons, c’est comme construire un immeuble à plusieurs étages. Si vous n’avez qu’un seul étage, ce qui est le cas classique, il ne contiendra pas beaucoup de monde. Mais avec plus d’étages, le bâtiment accueillera plus de personnes qui peuvent permettre de nouvelles choses incroyables. Grâce à l’intégration hétérogène sur laquelle nous travaillons, nous avons du silicium au premier étage, puis nous pouvons avoir de nombreux étages de matériaux 2D directement intégrés au-dessus », déclare Jiadi Zhu, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique et co-auteur principal d’un article sur cette nouvelle technique.
Zhu a écrit l’article avec le co-auteur principal Ji-Hoon Park, un post-doctorant du MIT ; auteurs correspondants Jing Kong, professeur de génie électrique et d’informatique (EECS) et membre du Laboratoire de recherche en électronique ; et Tomás Palacios, professeur à l’EECS et directeur des Microsystems Technology Laboratories (MTL); ainsi que d’autres au MIT, au MIT Lincoln Laboratory, au Oak Ridge National Laboratory et à Ericsson Research. Le journal paraît aujourd’hui dans Nanotechnologie de la nature.
Des matériaux minces avec un vaste potentiel
Le matériau 2D sur lequel les chercheurs se sont concentrés, le disulfure de molybdène, est flexible, transparent et présente de puissantes propriétés électroniques et photoniques qui le rendent idéal pour un transistor à semi-conducteur. Il est composé d’une couche à un atome de molybdène prise en sandwich entre deux atomes de sulfure.
La croissance de films minces de bisulfure de molybdène sur une surface avec une bonne uniformité est souvent réalisée par un processus connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). L’hexacarbonyle de molybdène et le soufre de diéthylène, deux composés chimiques organiques qui contiennent des atomes de molybdène et de soufre, se vaporisent et sont chauffés à l’intérieur de la chambre de réaction, où ils se « décomposent » en molécules plus petites. Ensuite, ils se lient par des réactions chimiques pour former des chaînes de bisulfure de molybdène sur une surface.
Mais la décomposition de ces composés de molybdène et de soufre, connus sous le nom de précurseurs, nécessite des températures supérieures à 550 degrés Celsius, tandis que les circuits de silicium commencent à se dégrader lorsque les températures dépassent 400 degrés.
Ainsi, les chercheurs ont commencé par sortir des sentiers battus – ils ont conçu et construit un tout nouveau four pour le procédé de dépôt chimique en phase vapeur d’organo-métalliques.
Le four se compose de deux chambres, une région à basse température à l’avant, où la plaquette de silicium est placée, et une région à haute température à l’arrière. Les précurseurs de molybdène et de soufre vaporisés sont pompés dans le four. Le molybdène reste dans la région à basse température, où la température est maintenue en dessous de 400 degrés Celsius – assez chaude pour décomposer le précurseur de molybdène mais pas si chaude qu’elle endommage la puce de silicium.
Le précurseur de soufre s’écoule dans la région à haute température, où il se décompose. Ensuite, il retourne dans la région à basse température, où se produit la réaction chimique pour faire croître le bisulfure de molybdène à la surface de la tranche.
« Vous pouvez penser à la décomposition comme faire du poivre noir – vous avez un grain de poivre entier et vous le broyez en poudre. Ainsi, nous écrasons et broyons le poivre dans la région à haute température, puis la poudre retourne dans la basse- région de température », explique Zhu.
Croissance plus rapide et meilleure uniformité
Un problème avec ce processus est que les circuits en silicium ont généralement de l’aluminium ou du cuivre comme couche supérieure, de sorte que la puce peut être connectée à un boîtier ou à un support avant d’être montée sur une carte de circuit imprimé. Mais le soufre provoque la sulfuration de ces métaux, de la même manière que certains métaux rouillent lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène, ce qui détruit leur conductivité. Les chercheurs ont empêché la sulfuration en déposant d’abord une très fine couche de matériau de passivation sur le dessus de la puce. Plus tard, ils pourraient ouvrir la couche de passivation pour établir des connexions.
Ils ont également placé la plaquette de silicium dans la région à basse température du four verticalement, plutôt qu’horizontalement. En la plaçant verticalement, aucune extrémité n’est trop proche de la région à haute température, de sorte qu’aucune partie de la plaquette n’est endommagée par la chaleur. De plus, les molécules de gaz de molybdène et de soufre tourbillonnent lorsqu’elles se heurtent à la puce verticale, plutôt que de s’écouler sur une surface horizontale. Cet effet de circulation améliore la croissance du bisulfure de molybdène et conduit à une meilleure uniformité du matériau.
En plus de produire une couche plus uniforme, leur méthode était également beaucoup plus rapide que les autres procédés MOCVD. Ils pourraient développer une couche en moins d’une heure, alors que le processus de croissance MOCVD prend généralement au moins une journée entière.
En utilisant les installations de pointe MIT.Nano, ils ont pu démontrer une uniformité et une qualité élevées des matériaux sur une tranche de silicium de 8 pouces, ce qui est particulièrement important pour les applications industrielles où des tranches plus grandes sont nécessaires.
« En raccourcissant le temps de croissance, le processus est beaucoup plus efficace et pourrait être plus facilement intégré dans les fabrications industrielles. De plus, il s’agit d’un processus à basse température compatible avec le silicium, qui peut être utile pour pousser les matériaux 2D plus loin dans l’industrie des semi-conducteurs, » dit Zhu.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent affiner leur technique et l’utiliser pour développer de nombreuses couches empilées de transistors 2D. De plus, ils veulent explorer l’utilisation du processus de croissance à basse température pour les surfaces flexibles, comme les polymères, les textiles ou même les papiers. Cela pourrait permettre l’intégration de semi-conducteurs dans des objets du quotidien comme des vêtements ou des cahiers.
Ce travail est partiellement financé par le MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, le National Science Foundation Center for Integrated Quantum Materials, Ericsson, MITRE, le US Army Research Office et le US Department of Energy. Le projet a également bénéficié du soutien de TSMC University Shuttle.
