Des résultats de recherche de la National University of Singapore, de l’université de Kyoto, de KAIST et d’UNIST ont révélé trois approches visant à relever différents défis de la conception des puces : réduire les isolants des interconnexions en cuivre, faire fonctionner des transistors en carbure de silicium à des températures extrêmement élevées et améliorer la stabilité des transistors à canal vertical fabriqués à partir d’oxydes.
Un isolant carboné réunissant deux fonctions
Des chercheurs de la National University of Singapore ont mis au point un film de carbone amorphe d’épaisseur atomique destiné à isoler les fils de cuivre, dont les dimensions ne cessent de diminuer. Le film a conservé une constante diélectrique de 1,35 pour des épaisseurs comprises entre 0,8 et 2,7 nanomètres. Il a également empêché le passage des ions de cuivre et résisté à de forts champs électriques.
Le film a été fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur à des températures inférieures à 300 °C et développé directement sur du dioxyde de silicium, du cuivre et du cobalt. Sa croissance uniforme s’est étendue à une plaquette de quatre pouces, y compris aux côtés et aux angles des structures gravées.
À l’épaisseur de 0,8 nanomètre, le film a supporté un champ électrique compris entre 28 et 31 mégavolts par centimètre avant de perdre sa capacité d’isolation. L’importance du résultat réside dans la combinaison d’une isolation à faible valeur k et d’une barrière empêchant la migration du cuivre au sein d’une seule couche, ce qui pourrait laisser davantage d’espace au conducteur en cuivre lui-même. Toutefois, l’équipe prévoit, en collaboration avec TSMC, de tester la fiabilité à long terme, l’évolutivité et la compatibilité avec les procédés de fabrication existants, des aspects qui n’ont pas encore été tranchés.
Des transistors SiC pour des environnements atteignant 600 °C
Des chercheurs de l’université de Kyoto ont mis au point des transistors à effet de champ à jonction complémentaire en carbure de silicium (SiC JFETs) et ont démontré leur fonctionnement à une température de 600 °C.
La conception repose sur une grille inférieure afin d’améliorer le contrôle de la tension de seuil, ainsi que sur une isolation fondée sur des puits plutôt que sur un substrat semi-isolant, dans le but de limiter le courant de fuite à haute température. Cette structure a réduit les fuites à un niveau proche de la limite théorique attendue pour le matériau SiC.
Le résultat reste au stade de la recherche, l’équipe prévoyant de développer des circuits plus complexes, de passer à une production à l’échelle de la plaquette et de vérifier que l’ensemble du boîtier peut résister aux environnements difficiles.
Un isolant multicouche pour les circuits d’informatique en mémoire
Des chercheurs de KAIST et d’UNIST ont mis au point une structure diélectrique multicouche en nitrure de silicium/dioxyde de silicium/nitrure de silicium (SiN/SiO₂/SiN) afin d’améliorer les performances des transistors à canal vertical fabriqués à partir d’oxydes, une structure à laquelle est associée une utilisation potentielle dans les dispositifs d’informatique en mémoire.
La structure agit comme un canal de transport de l’oxygène, ce qui contribue à compenser de manière stable les lacunes d’oxygène dans le semi-conducteur oxyde, tout en limitant l’oxydation indésirable au niveau de l’électrode. Après plus de dix millions de cycles de test de contrainte électrique, la variation de la tension de seuil est restée inférieure à 50 millivolts. Les chercheurs ont également réussi à intégrer le semi-conducteur oxyde à la technologie CMOS traditionnelle en silicium.
Pourquoi cette information est-elle importante ?
Les trois résultats s’attaquent à des contraintes matérielles et d’ingénierie différentes : la densité des interconnexions en cuivre, les fuites à haute température et l’instabilité des dispositifs verticaux. Ils ne représentent toutefois ni des produits prêts à l’emploi ni des procédés de production commercialement éprouvés ; chaque projet nécessite des tests supplémentaires portant sur l’évolutivité, la fiabilité et l’intégration aux lignes de fabrication. Leur valeur actuelle réside donc dans la présentation de voies de recherche susceptibles d’être évaluées, et non dans l’annonce d’une transformation immédiate de l’industrie des puces.