Révolutionner l'informatique : l'essor des puces semi-conductrices à l'échelle atomique

L'ère de l'information créée sur près de 60 ans a donné au monde l'internet, les smartphones et des ordinateurs ultra-rapides. Ce qui a rendu 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 maintenant sur une puce de la taille d'un ongle. De telles longueurs « à l'échelle atomique » sont si minuscules que des atomes individuels peuvent être vus et comptés dans celles-ci.

Avec ce doublement approchant maintenant rapidement une limite physique, le Laboratoire de Physique des Plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'Énergie américain (DOE) a rejoint les efforts de l'industrie pour étendre le processus et développer de nouvelles façons de produire des puces toujours plus performantes, efficaces et rentables. Les scientifiques du laboratoire ont maintenant prédit avec précision, par modélisation, une étape clé dans la fabrication de puces à l'échelle atomique dans la première étude PPPL sous un Accord de Recherche et Développement Coopératif (CRADA) avec Lam Research Corp., un fournisseur mondial d'équipements de fabrication de puces.

« Ce serait un petit morceau dans l'ensemble du processus », a déclaré le Professeur David Graves, directeur adjoint du laboratoire pour les interactions surface-plasma à basse température et co-auteur d'un article qui expose les résultats dans le Journal of Vacuum Science & Technology B. Les informations acquises par la modélisation, a-t-il dit, « peuvent mener à toutes sortes de bonnes choses, et c'est pourquoi cet effort au Laboratoire a une certaine promesse. »

Bien que le rétrécissement ne puisse pas continuer beaucoup plus longtemps, « il n'a pas complètement atteint une fin », a-t-il dit. « L'industrie a réussi à ce jour en utilisant principalement des méthodes empiriques pour développer de nouveaux processus innovants, mais une compréhension fondamentale plus approfondie accélérera ce processus. Les études fondamentales prennent du temps et nécessitent une expertise que l'industrie n'a pas toujours », a-t-il dit. « Cela crée une forte incitation pour les laboratoires à prendre en charge le travail. »

Les scientifiques du PPPL ont modélisé ce qu'on appelle la « gravure par couches atomiques » (ALE), une étape de fabrication de plus en plus critique qui vise à retirer des couches atomiques individuelles d'une surface une à la fois. 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 un wafer de silicium.

« Les simulations ont essentiellement concordé avec les expériences comme première étape, et pourraient mener à une compréhension améliorée de l'utilisation de l'ALE pour la gravure à l'échelle atomique », a déclaré Joseph Vella, un chercheur post-doctoral au PPPL et auteur principal de l'article du journal. Une compréhension améliorée permettra au PPPL d'étudier des choses telles que l'étendue des dommages de surface et le degré de rugosité développé pendant l'ALE, a-t-il dit, « et tout cela commence par construire notre compréhension fondamentale de la gravure par couches atomiques. »

Le modèle a simulé l'utilisation séquentielle de gaz chlorure et d'ions plasma 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, en contraste avec le plasma ultra-chaud utilisé dans les expériences de fusion.

« Une découverte empirique surprenante de Lam Research était que le processus ALE devenait particulièrement efficace lorsque les énergies d'ions étaient un peu plus élevées que celles avec lesquelles nous avons commencé », a dit Graves. « Donc ce sera notre prochaine étape dans les simulations — pour voir si nous pouvons comprendre ce qui se passe quand l'énergie ionique est beaucoup plus élevée et pourquoi c'est si bon. »

Pour l'avenir, « l'industrie des semi-conducteurs dans son ensemble envisage une expansion majeure dans les matériaux et les types de dispositifs à utiliser, et cette expansion devra également être traitée avec une précision à l'échelle atomique », a-t-il dit. « L'objectif américain est de diriger le monde dans l'utilisation de la science pour s'attaquer à d'importants problèmes industriels », a-t-il dit, « et notre travail fait partie de cela. »