Alors que les transistors à l’intérieur des microprocesseurs continuent de rétrécir, le câblage métallique qui les relie devient un obstacle croissant à des puces plus rapides et plus économes en énergie. Des fils plus fins présentent une résistance électrique plus élevée, tandis que des espaces plus petits entre eux augmentent les interférences entre signaux adjacents. Ces effets entravent le transfert de données et augmentent la consommation d’énergie — un problème connu sous le nom de goulot d’étranglement de l’interconnexion, particulièrement aigu dans les processeurs d’intelligence artificielle gourmands en données.
Une équipe de l’Université nationale de Singapour (NUS), dirigée par le professeur Barbaros Oezyilmaz du Département de science et génie des matériaux au College of Design and Engineering, qui occupe également un poste conjoint au Département de physique de la Faculté des sciences, a mis au point un film de carbone amorphe d’épaisseur atomique qui pourrait contribuer à atténuer ce goulot d’étranglement. Le film a conservé une constante diélectrique, ou valeur k, de 1,35 pour des épaisseurs allant jusqu’à seulement 0,8 nanomètre. Il a également résisté à de puissants champs électriques et empêché les ions de cuivre de le traverser.
« Voilà plus de vingt ans que ce goulot d’étranglement matériel persiste : alors que la technologie des transistors a radicalement changé, la plateforme de base des interconnexions en cuivre est restée en grande partie inchangée et constitue aujourd’hui l’un des principaux obstacles à la transformation de la miniaturisation en gains réels de performance et d’énergie », a déclaré le professeur Oezyilmaz.
Les conceptions de puces actuelles utilisent des matériaux distincts pour isoler les fils de cuivre et empêcher le cuivre de se propager dans l’isolant environnant. La combinaison de ces deux fonctions en un seul film pourrait laisser plus d’espace pour des lignes de cuivre plus larges, qui présentent une résistance plus faible et pourraient accélérer le transfert des données tout en consommant moins d’énergie.
Les résultats ont été publiés dans Nature Electronics le 18 août 2026.
Calmer le système nerveux des microprocesseurs
De même que les réseaux de neurones transportent des signaux biologiques entre différentes régions du cerveau, les interconnexions — des fils microscopiques principalement en cuivre — permettent aux données de circuler entre les différentes parties d’une puce.
Pour limiter les interférences entre ces chemins de signaux très rapprochés, chaque fil de cuivre est séparé de ses voisins par un matériau isolant appelé diélectrique. Sa valeur k mesure la force de sa réponse à un champ électrique. Des valeurs plus faibles réduisent les interactions parasites entre signaux voisins. Les feuilles de route de l’industrie exigent une valeur k inférieure à 2 lorsque les espaces entre interconnexions descendent sous 10 nanomètres.
De nombreux matériaux à faible k contiennent des pores qui réduisent leur valeur k, mais les fragilisent aussi, ce qui rend difficile la production de films très minces. En revanche, les matériaux plus denses sont plus résistants mais ont tendance à avoir une valeur k plus élevée. Le film de carbone de l’équipe de la NUS est amorphe, ce qui signifie que ses atomes n’ont pas d’arrangement régulier et répétitif. Sa valeur k est restée proche de 1,35 pour des épaisseurs de 0,8 à 2,7 nanomètres, se maintenant bien en dessous de l’objectif de l’industrie même à moins d’un nanomètre d’épaisseur.
« Le carbone peut conduire l’électricité sous de nombreuses formes, il peut donc sembler, à première vue, un choix peu probable pour un isolant », explique le Dr Toh Chee Tat, co-auteur principal, du Département de science et génie des matériaux à NUS CDE et du Centre NUS pour les matériaux 2D avancés (CA2DM). « Dans notre film, les atomes sont disposés de manière aléatoire. Ce désordre limite la liberté de réponse des électrons à un champ électrique, ce qui permet à la valeur k de rester faible même lorsque le film est extrêmement mince. »
Faire d’une pierre deux coups
Une valeur k faible ne résout qu’une partie du problème. Avec le temps, le cuivre peut migrer d’un fil vers l’isolant environnant, où il peut former des chemins électriques non souhaités et finir par provoquer la défaillance du composant. Les fabricants de puces ajoutent donc une couche barrière distincte, souvent en nitrure de tantale, pour maintenir le cuivre en place. Cette barrière occupe une partie de l’espace limité disponible pour le fil lui-même.
Lors d’essais accélérés, un film de carbone de seulement 0,8 nanomètre d’épaisseur a empêché le cuivre de le traverser. Son temps de défaillance estimé sous un champ électrique de fonctionnement typique dépassait la référence industrielle pour une durée de vie de 10 ans et était plus de 100 fois supérieur à la projection correspondante pour le nitrure de tantale.
« Ce film nous offre une isolation à faible k et une barrière anti-cuivre dans la même couche », ajoute le Dr Artem Grebenko, co-auteur principal, chercheur principal au Département de physique de la NUS et chercheur au CA2DM. « À des dimensions aussi petites, chaque fraction de nanomètre compte, et combiner ces fonctions pourrait libérer davantage d’espace pour la ligne de cuivre elle-même. »
Le film a également résisté à des champs de 28 à 31 mégavolts par centimètre avant de perdre sa capacité d’isolation, soit environ quatre fois la résistance rapportée du nitrure de bore amorphe. D’autres films de l’équipe, d’au moins 1,4 nanomètre, ont également maintenu les fuites de courant parasites sous la limite citée pour le fonctionnement des transistors à faible consommation. Leur dureté mesurée était d’environ 100 gigapascals, soit au moins dix fois celle du dioxyde de silicium.
L’équipe a produit le film de carbone par dépôt chimique en phase vapeur, procédé dans lequel des gaz réagissent sur une surface pour former un film solide. Le procédé a fonctionné à moins de 300 degrés Celsius et a déposé le film directement sur du dioxyde de silicium, du cuivre et du cobalt. Les chercheurs ont obtenu une croissance uniforme sur une plaquette de quatre pouces, ainsi que sur les parois latérales et les angles de structures à motifs.
Vers la fabrication de puces
Ce travail s’appuie sur le rapport publié par l’équipe dans Nature en 2020 concernant un carbone amorphe monocouche stable et autoportant, et fait partie d’un programme plus large soutenu par le programme de recherche compétitive de la National Research Foundation (NRF).
L’équipe a également développé et protégé la propriété intellectuelle issue de ces recherches et s’emploie désormais à faire passer le matériau des tests en laboratoire à la fabrication de semi-conducteurs. En avril 2026, la NUS a entamé une collaboration de recherche formelle avec TSMC pour évaluer le matériau pour l’isolation à ultra-faible k et la fabrication de puces. Trois mois plus tard, l’équipe a lancé un projet du Central Gap Fund de la National Research Foundation pour faire évoluer son procédé de dépôt assisté par ultraviolets à basse température et traiter les questions d’intégration, de fiabilité et de fabricabilité.
« Notre prochaine tâche consiste à transposer ces performances à des plaquettes pertinentes pour l’industrie et à déterminer comment le film peut être intégré aux procédés existants de fabrication de puces », ajoute le professeur Oezyilmaz. « Grâce au projet du Central Gap Fund et à notre collaboration avec TSMC, nous testerons sa fiabilité à long terme, sa régularité à grande échelle et sa compatibilité avec les normes de fabrication établies. »
Article : Atomically thin amorphous carbon with an ultralow dielectric constant – Journal : Nature Electronics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : NUS
