Les microprocesseurs, ces dispositifs minuscules qui animent nos smartphones, ordinateurs portables et téléviseurs, sont fabriqués grâce à diverses méthodes. Parmi elles, la déposition de couches atomiques (ALD) se distingue.
Depuis deux décennies, cette technique s’est imposée dans la fabrication de microprocesseurs, mais elle nécessite aujourd’hui une mise à jour. Avec l’ère de la nanoélectronique à nos portes et la nécessité d’une production plus durable et précise, des itérations plus avancées de l’ALD sont indispensables pour créer des structures de puces toujours plus petites.
Adrie Mackus et ses collègues de l’Université de Technologie d’Eindhoven (TU/e) se concentrent sur une version sélective par zone de l’ALD. Pourquoi la résolution de ce puzzle pourrait-elle transformer l’industrie des puces de demain ?
La technique de la déposition de couches atomiques
La déposition de couches atomiques (ALD) est une technique de dépôt de films minces où une couche très fine de matériau est déposée sur une autre couche en dessous. Cette méthode repose sur l’utilisation de réactifs chimiques en phase gazeuse.
Deux étapes clés composent l’ALD : l’étape du précurseur et l’étape du co-réactif. Durant l’étape du précurseur, une molécule contenant un atome à déposer est placée sur la surface. Cette molécule se lie plus facilement à la surface que l’atome individuel.
Ensuite, lors de l’étape du co-réactif, la molécule précurseur déposée est exposée à un réactif, tel que l’eau ou l’oxygène. Cela élimine les segments indésirables de la molécule, laissant l’atome souhaité déposé en tant que couche.
Un demi-siècle d’ALD
En 2024, l’ALD célèbre un jalon majeur. «Cet été, c’est le 50e anniversaire de l’ALD», précise Adrie Mackus. «Il a fallu du temps pour que la technique soit intégrée dans la fabrication de microprocesseurs, mais aujourd’hui, elle est l’un des outils incontournables.»
Construire des microprocesseurs avec l’ALD dans l’industrie est un processus complexe. Le chercheur utilise souvent l’analogie de la construction d’une maison pour expliquer le fonctionnement de l’ALD. «Quand vous construisez une maison, vous posez d’abord les briques, puis le mortier. En essence, il y a deux matériaux de construction dans chaque couche de brique. C’est pareil en ALD où nous alternons deux produits chimiques pour créer une couche atomique.»
L’ALD permet de déposer un certain nombre de couches atomiques, ce qui constitue un avantage majeur, mais ce n’est pas aussi simple que de placer des couches plates les unes sur les autres. Les microprocesseurs sont fabriqués presque entièrement de haut en bas, ce qui implique d’abord la déposition, suivie du modelage et de la gravure.
«Quand vous zoomez sur un microprocesseur, vous verrez différentes ‘pièces’. Parfois, vous voulez déposer des matériaux sur le sol du salon mais pas dans la cuisine,» note encore Adrie Mackus. «Un microprocesseur se compose d’une pile de centaines de films minces, mais la déposition et la gravure répétées gaspillent beaucoup de matériau.»
Comment fonctionne l’ALD sélective par zone ?
Le point de départ de l’ALD sélective par zone (AS-ALD) est une surface avec deux matériaux différents. L’objectif est de déposer des matériaux sur une surface (la zone de croissance) et non sur les autres zones (les zones non-croissance).
Comparée à l’ALD traditionnelle, l’approche de Mackus pour l’AS-ALD inclut une étape supplémentaire où des molécules inhibitrices sont absorbées sur les zones non-croissance. Ces molécules empêchent l’absorption des molécules précurseurs sur les zones non-croissance.
Une fois les molécules inhibitrices en place, l’AS-ALD suit l’étape du précurseur puis l’étape du co-réactif comme pour l’ALD. Pendant l’étape du co-réactif, les molécules inhibitrices sur les zones non-croissance sont également éliminées.
Vers une déposition sélective par zone
L’ALD a joué un rôle de premier plan dans la fabrication de puces, mais des changements sont en cours, motivés par les avancées technologiques et la nécessité d’une production plus durable.
Alors que les microprocesseurs adoptent l’échelle nanométrique, l’ALD doit évoluer pour construire des structures à cette échelle. C’est là qu’intervient la déposition de couches atomiques sélective par zone (AS-ALD).
«L’AS-ALD existe depuis environ 20 ans, et les travaux dans ce domaine ont même stagné il y a une décennie,» explique Adrie Mackus. «Elle est redevenue populaire, et je crois que le placement précis des atomes peut stimuler les innovations futures des puces.»
Avec l’AS-ALD, l’accent est mis sur la déposition d’atomes sur des zones spécifiques uniquement. Comparée à l’ALD, elle est bien adaptée à la déposition ou à l’alignement de structures à l’échelle nanométrique. Pour faciliter la déposition sélective par zone, les scientifiques ont innové la technique.
«Pour fabriquer des puces futures avec des transistors de pointe, nous devons construire des caractéristiques de quelques nanomètres seulement, ainsi que des structures tridimensionnelles complexes. Si vous devez déposer dans chaque fissure et trou d’une structure tridimensionnelle, vous ne pouvez pas utiliser de grosses molécules de deux à trois nanomètres. Nous avons besoin de petites molécules pour aider à construire de petites structures, et notre point de départ est celui des inhibiteurs de petites molécules qui bloquent certaines zones de la puce de la déposition.»
Passer à l’approche des petites molécules de l’AS-ALD abaisse également le seuil pour que l’industrie adopte cette technologie, car il est possible de travailler avec de petites molécules en phase gazeuse dans des systèmes sous vide et d’éviter de travailler en solution. «L’AS-ALD pourrait être énorme pour l’industrie, mais il s’agit de rendre la technique robuste et fiable, ainsi que facile à mettre en œuvre,» ajoute Adrie Mackus.
Les pièces du puzzle auxquelles Mackus fait référence concernent la manière de s’assurer que toutes les molécules inhibitrices se comportent de la même manière, que les molécules inhibitrices bloquent chaque molécule précurseur entrante, et de trouver des molécules inhibitrices qui fonctionnent pour chaque matériau que nous voulons déposer.
De plus, dans son projet financé par une subvention de démarrage ERC, Adrie Mackus explore des moyens de déposer des atomes sur une surface avec n’importe quelle orientation. «Jusqu’à présent, l’accent a été mis sur la déposition sur des surfaces planes, mais les puces futures nécessiteront des structures tridimensionnelles complexes. Empiler des dispositifs les uns sur les autres est plus courant dans les puces mémoire, mais les puces logiques vont également dans cette direction, ce qui signifie que des techniques capables de réaliser cela sont nécessaires.»
Il est convaincu que les découvertes de son équipe mèneront à de grandes avancées. «Nous espérons changer la fabrication des puces en aidant l’industrie à construire les paysages nanométriques de nos puces futures.»
