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Jan 03, 2024

Les ingénieurs du MIT révolutionnent la technologie des puces semi-conductrices avec Atom

Par Adam Zewe, Massachusetts Institute of Technology1 mai 2023 Chercheurs du MIT

Par Adam Zewe, Massachusetts Institute of Technology1 mai 2023

Les chercheurs du MIT ont innové une technologie de croissance à basse température pour intégrer des matériaux 2D sur un circuit en silicium, ouvrant la voie à des puces plus denses et plus puissantes. La nouvelle méthode consiste à faire pousser des couches de matériaux de dichalcogénure de métal de transition (TMD) 2D directement sur une puce de silicium, un processus qui nécessite généralement des températures élevées qui pourraient endommager le silicium.

Une nouvelle technologie de croissance et de fabrication à basse température permet l'intégration de matériaux 2D directement sur un circuit en silicium, ce qui pourrait conduire à des puces plus denses et plus puissantes.

Researchers from MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT have developed a low-temperature growth process to directly integrate 2D materials onto silicon chips, enabling denser and more powerful semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> semi-conducteurs. Cette technologie contourne les défis précédents liés aux températures élevées et aux imperfections de transfert de matière. Il réduit également le temps de croissance et permet des couches uniformes sur de plus grandes tranches de 8 pouces, ce qui le rend idéal pour les applications commerciales.

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.

Growing 2D materials directly onto a silicon CMOS wafer has posed a major challenge because the process usually requires temperatures of about 600 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius, tandis que les transistors et les circuits en silicium pourraient 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.

Étudiant diplômé Jiadi Zhu tenant une plaquette CMOS de 8 pouces avec un film mince de bisulfure de molybdène. Sur la droite se trouve le four développé par les chercheurs, qui leur a permis de "faire croître" une couche de bisulfure de molybdène sur la plaquette en utilisant un processus à basse température qui n'a pas endommagé la plaquette. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

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. L'article a été publié le 27 avril dans la revue Nature Nanotechnology.

The 2D material the researchers focused on, molybdenum disulfide, is flexible, transparent, and exhibits powerful electronic and photonic properties that make it ideal for a semiconductor transistor. It is composed of a one-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">couche atomique de molybdène prise en sandwich entre deux atomes de sulfure.

La croissance de films minces de disulfure 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 organométallique.

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 chaud pour décomposer le précurseur de molybdène mais pas si chaud qu'il 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 région à basse température. région », explique Zhu.

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 disulfure 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 a fait un progrès important dans la technologie de synthèse du matériau de disulfure de molybdène monocouche", a déclaré Han Wang, titulaire de la chaire de début de carrière Robert G. et Mary G. Lane et professeur agrégé de génie électrique et informatique, de génie chimique et de science des matériaux à l'Université de Californie du Sud, qui n'a pas participé à cette recherche. "La nouvelle capacité de faible croissance du budget thermique à l'échelle de 8 pouces permet l'intégration en fin de ligne de ce matériau avec la technologie CMOS au silicium et ouvre la voie à sa future application électronique."

Référence : "Synthèse à faible budget thermique de disulfure de molybdène monocouche pour l'intégration de fin de ligne de silicium sur une plate-forme de 200 mm" par Jiadi Zhu, Ji-Hoon Park, Steven A. Vitale, Wenjun Ge, Gang Seob Jung, Jiangtao Wang, Mohamed Mohamed, Tianyi Zhang, Maitreyi Ashok, Mantian Xue, Xudong Zheng, Zhien Wang, Jonas Hansryd, Anantha P. Chandrakasan, Jing Kong et Tomás Palacios, 27 avril 2023, Nature Nanotechnology. DOI : 10.1038/s415 65-023 - 01375-6

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.