Puces semi-conductrices à l'échelle atomique — Repousser les limites

L'ère de l'information créée en près de 60 ans a donné au monde Internet, les téléphones intelligents et les ordinateurs ultrarapides. Rendre cela possible a été le doublement du nombre de transistors qui peuvent être emballés sur une puce informatique environ tous les deux ans, donnant naissance à des milliards de transistors à l'échelle atomique qui tiennent désormais sur une puce de la taille d'un ongle. Ces longueurs "à l'échelle atomique" sont si petites que des atomes individuels peuvent y être vus et comptés.

Alors que ce doublement approche rapidement d'une limite physique, le Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) s'est joint aux efforts de l'industrie pour étendre le processus et développer de nouvelles façons de produire des produits toujours plus capables, efficaces et rentables. frites. Les scientifiques du laboratoire ont maintenant prédit avec précision, grâce à la modélisation, une étape clé dans la fabrication de puces à l'échelle atomique dans la première étude PPPL dans le cadre d'un accord de recherche et développement coopératif (CRADA) avec Lam Research Corp., un fournisseur mondial d'équipements de fabrication de puces .

"Ce ne serait qu'un petit élément dans l'ensemble du processus", a déclaré le professeur David Graves, directeur de laboratoire associé pour les interactions plasma-surface à basse température et co-auteur d'un article qui décrit les résultats dans le Journal of Vacuum Science &Technology B . Les connaissances acquises grâce à la modélisation, a-t-il déclaré, "peuvent mener à toutes sortes de bonnes choses, et c'est pourquoi cet effort au Lab est prometteur."

Bien que le rétrécissement ne puisse pas durer beaucoup plus longtemps, "il n'a pas complètement atteint sa fin", a-t-il déclaré. « Jusqu'à présent, l'industrie a réussi à utiliser principalement des méthodes empiriques pour développer de nouveaux procédés innovants, mais une compréhension fondamentale plus approfondie accélérera ce processus. Les études fondamentales prennent du temps et nécessitent une expertise que l'industrie ne possède pas toujours », a-t-il déclaré. "Cela crée une forte incitation pour les laboratoires à assumer le travail."

Les scientifiques du PPPL ont modélisé ce que l'on appelle la «gravure de couche atomique» (ALE), une étape de fabrication de plus en plus critique qui vise à supprimer une à la fois les couches atomiques uniques d'une surface. Ce processus peut être utilisé pour graver des structures tridimensionnelles complexes avec des dimensions critiques qui sont des milliers de fois plus fines qu'un cheveu humain dans un film sur une plaquette de silicium.

"Les simulations étaient essentiellement d'accord avec les expériences dans un premier temps et pourraient conduire à une meilleure compréhension de l'utilisation de l'ALE pour la gravure à l'échelle atomique", a déclaré Joseph Vella, boursier postdoctoral au PPPL et auteur principal de l'article de journal. Une meilleure compréhension permettra au PPPL d'étudier des éléments tels que l'étendue des dommages de surface et le degré de rugosité développé au cours de l'ALE, a-t-il déclaré, "et tout cela commence par la construction de notre compréhension fondamentale de la gravure de la couche atomique."

Le modèle a simulé l'utilisation séquentielle de chlore gazeux et d'ions de plasma d'argon pour contrôler le processus de gravure du silicium à l'échelle atomique. Le plasma - gaz ionisé - est un mélange composé d'électrons libres, d'ions chargés positivement et de molécules neutres. Le plasma utilisé dans le traitement des dispositifs semi-conducteurs est proche de la température ambiante, contrairement au plasma ultra-chaud utilisé dans les expériences de fusion.

"Une découverte empirique surprenante de Lam Research a été que le processus ALE est devenu particulièrement efficace lorsque les énergies des ions étaient un peu plus élevées que celles avec lesquelles nous avons commencé", a déclaré Graves. "Ce sera donc notre prochaine étape dans les simulations - pour voir si nous pouvons comprendre ce qui se passe lorsque l'énergie des ions est beaucoup plus élevée et pourquoi c'est si bon."

À l'avenir, "l'industrie des semi-conducteurs dans son ensemble envisage une expansion majeure des matériaux et des types de dispositifs à utiliser, et cette expansion devra également être traitée avec une précision à l'échelle atomique", a-t-il déclaré. "L'objectif des États-Unis est de devenir le chef de file mondial dans l'utilisation de la science pour résoudre d'importants problèmes industriels", a-t-il déclaré, "et notre travail en fait partie."