Les scientifiques du MIT ont innové des transistors automatiquement minces pour fabriquer des puces informatiques plus denses

Les matériaux bidimensionnels (2D) sont des candidats prometteurs pour l’électronique du futur. Bien que des résultats prometteurs sur la synthèse à l’échelle de la tranche de disulfure de molybdène monocouche (MoS2) aient déjà été rapportés, la synthèse de haute qualité de matériaux 2D sur des tranches de 200 mm ou plus, qui sont généralement utilisées dans les fonderies de silicium commerciales, reste difficile.

Pour y parvenir, les scientifiques du MIT ont récemment développé une technologie de pointe qui peut « développer » avec succès et rapidement des couches de matériaux de dichalcogénure de métal de transition (TMD) 2D juste au-dessus d’une puce de silicium entièrement produite, permettant des intégrations plus denses.

Pour éviter que la puce ne soit endommagée, les scientifiques ont également développé un processus de croissance à basse température qui permet d’intégrer directement des transistors à semi-conducteurs 2D sur des circuits en silicium standard.

Selon les scientifiques, leur nouvelle technologie pourrait réduire le temps nécessaire à la croissance de ces matériaux. Il peut développer une couche uniforme de matériau TMD en moins d’une heure sur des tranches de 8 pouces.

Grâce à sa vitesse élevée et à son uniformité, la technologie permet aux scientifiques 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 aux applications commerciales, où des tranches de 8 pouces ou plus sont essentielles.

Jiadi Zhu, un étudiant diplômé en génie électrique et en informatique, a déclaré : « 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 comme premier étage, puis nous pouvons avoir de nombreux étages de matériaux 2D directement intégrés au-dessus.

Dans cette étude, les scientifiques se sont principalement concentrés sur le disulfure de molybdène. Ce matériau est flexible, transparent et présente de puissantes propriétés électroniques et photoniques qui le rendent idéal pour les semi-conducteurs. Il comprend une couche à un atome de molybdène prise en sandwich entre deux atomes de sulfure.

Deux composés chimiques organiques contiennent des atomes de molybdène et de soufre : le molybdène hexacarbonyle et le diéthylène soufre. Les vaporiser et les chauffer à l’intérieur d’une chambre de réaction les fait se décomposer en molécules plus petites. Ensuite, ils se lient par des réactions chimiques pour former des chaînes de bisulfure de molybdène sur une surface.

Cependant, la décomposition de ces composés nécessite une température maximale de 550 degrés Celsius. D’autre part, les circuits en silicium commenceraient à se dégrader après avoir dépassé 400 degrés. Par conséquent, les scientifiques ont proposé une solution alternative : ils ont conçu et construit un tout nouveau four pour le procédé de dépôt chimique en phase vapeur d’organo-métalliques.

Le four comporte deux chambres : une zone avant à basse température où la plaquette de silicium est insérée et une zone arrière à haute température. Le four est pompé avec des précurseurs de molybdène et de soufre vaporisés. La température est contrôlée en dessous de 400 degrés Celsius dans la zone à basse température, où le molybdène reste. Cette température est suffisamment élevée pour désintégrer le précurseur de molybdène mais pas trop élevée pour endommager la puce de silicium.

Le précurseur de soufre traverse et se décompose dans la zone à haute température. La réaction chimique génère du bisulfure de molybdène à la surface de la plaquette, puis reflue dans la zone à basse température.

Un problème avec cette méthode est que les circuits en silicium ont fréquemment une couche supérieure en aluminium ou en cuivre, de sorte que la puce peut être liée à un support ou à un emballage avant d’être placée sur une carte de circuit imprimé. Mais comme certains métaux rouillent lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène, ces métaux se sulfurent lorsqu’ils sont exposés au soufre, ce qui réduit leur conductivité. Pour arrêter la sulfuration, les scientifiques ont d’abord appliqué une très fine couche de matériau de passivation sur la surface de la puce. La couche de passivation pourra alors être ouverte ultérieurement pour faciliter les connexions.

De plus, ils ont inséré la plaquette de silicium verticalement, et non horizontalement, dans la zone à basse température du four. Parce qu’il est positionné verticalement, aucune extrémité n’est trop proche de la zone de haute température, protégeant la plaquette des dommages causés par la chaleur. De plus, plutôt que de s’écouler sur une surface horizontale lorsqu’elles entrent en collision avec la puce verticale, les molécules de gaz de molybdène et de soufre tourbillonnent lorsqu’elles frappent la puce. La croissance du disulfure de molybdène est renforcée par cette action de circulation, qui augmente également l’homogénéité du matériau.

En plus de produire une couche plus uniforme, leur méthode était beaucoup plus rapide que les autres procédés MOCVD. Ils pourraient développer une couche en moins d’une heure, alors que généralement, le processus de croissance MOCVD prend au moins une journée entière.

Ils ont démontré une grande homogénéité et qualité des matériaux sur une plaquette de silicium de 8 pouces à l’aide d’installations de pointe du MIT. Les nano-installations sont cruciales pour les applications commerciales nécessitant des plaquettes plus grandes.

Zhu a dit, « En raccourcissant le temps de croissance, le procédé est beaucoup plus efficace et pourrait être plus facilement intégré dans les fabrications industrielles. 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.

Référence de la revue :

1. Zhu, J., Park, JH., Vitale, SA et al. Synthèse à faible budget thermique de bisulfure de molybdène monocouche pour l’intégration de fin de ligne silicium sur une plate-forme de 200 mm. Nat. Nanotechnologie. (2023). EST CE QUE JE: 10.1038/s41565-023-01375-6