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En vedette - Une approche sans mouillage révolutionnaire pour fabriquer les puces électroniques

Les minuscules puces informatiques ultra-rapides qui équipent tout appareil électronique moderne n'ont plus rien à voir avec leurs ancêtres, volumineuses et lentes, utilisées il y a des décennies. Des matériaux différents, des conceptions innovantes et de nouvelles techniques de production ont permis aux générations successives de circuits imprimés d'offrir toujours plus de performance à moindre coût. Le projet de recherche d'avant-garde financé par l'UE contribue à la poursuite de la tendance.

La loi de Moore, l'observation faite par le cofondateur d'Intel, Gordon E. La loi de Moore, une théorie selon laquelle le nombre de transistors double sur une puce tous les deux ans environ, s'est révélée exacte pendant plus d'un demi-siècle. Aujourd'hui, nous transportons plus de puissance informatique dans nos téléphones portables que celle que pouvait contenir alors un ordinateur de la taille d'une maison. Mais afin d'intégrer plus de transistors dans un espace plus restreint - et de continuer à appliquer la loi de Moore - les développeurs de puces doivent être de plus en plus créatifs avec des composants électroniques qui passent à l'échelle nanométrique. Ils sont obligés parfois de penser différemment, en sortant des sentiers battus. C'est cette approche qu'a suivi l'équipe du projet Copper («Copper interconnects for advanced performance and reliability»), composée de chercheurs issus de huit organisations - entreprises, instituts de recherche et universités - de quatre pays, qui ont résolu un problème clé lié à la fabrication des puces. En procédant ainsi, ils ont ouvert la porte d'un domaine de recherche totalement nouveau dans l'industrie des semi-conducteurs. Soutenus par un financement de 3,15 millions d'euros de la Commission européenne, les chercheurs se sont concentrés sur les méthodes et les matériaux utilisés pour interconnecter les milliards de minuscules transistors sur une puce moderne. L'équipe du projet Copper a notamment mis au point un procédé qui permet d'utiliser directement des métaux réactifs pour séparer les interconnexions cuivre et la plaquette de silicium de la puce à l'aide de solvants non aqueux au lieu d'un procédé à l'eau - une première mondiale dans le secteur des semi-conducteurs. «La longueur des interconnexions entre transistors progresse au même rythme que le nombre de transistors sur une puce. Du fait que les interconnexions ont une certaine résistance, cette augmentation de la longueur accentue le délai dans la communication entre transistors ; ce qui freine la performance de la puce,» explique Jan Fransaer, chercheur au Department of Metallurgy and Materials Engineering (MTM) de l'Université catholique de Louvain, en Belgique. Fabriquer des interconnexions plus petites permettrait d'améliorer la performance des puces. Mais maintenant que les puces ont atteint l'échelle de gravure de 22 nm - environ 3 000 fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain - de nouveaux obstacles apparaissent pour réduire davantage la longueur. Le problème, en résumé Pour parler de manière simplifiée, le problème se présente ainsi : Jusqu'au milieu des années 1990, l'aluminium était le métal de choix pour remplir les «vias» d'interconnexion, les petites tranchées dans le silicium qui transportent les électrons entre les transistors. L'aluminium était suffisamment conducteur pour satisfaire aux exigences de performance des transistors - alors dénombrés par millions sur chaque puce - et à l'inverse d'autres métaux plus conducteurs comme le cuivre, l'argent et l'or, il ne diffusait pas dans le silicium, un processus qui avec le temps aurait finalement détruit le circuit électronique. Mais la taille des puces se réduisant de plus en plus et leur nombre de transistors étant en passe d'atteindre le milliard, une performance d'interconnexion plus rapide était nécessaire. Il fallait recourir à un métal plus conducteur. Les fabricants de semi-conducteurs ont donc choisi le cuivre comme matériau d'interconnexion. Mais cette décision nécessitait qu'ils trouvent un moyen d'empêcher le cuivre de se diffuser dans le silicium, un problème qu'ils ont résolu en ajoutant un élément appelé une «barrière de diffusion»: une couche d'un métal différent qui protège le silicium du cuivre. La barrière de diffusion choisie est un métal appelé tantale. Jusqu'ici, tout va bien: la barrière de diffusion en tantale protège maintenant le silicium du cuivre dans les vias d'interconnexion. Le dépôt des interconnexions de cuivre s'effectue par le biais d'un procédé appelé «électrodéposition» par lequel un courant électrique passe dans un solvant pour recouvrir les vias d'ions métalliques. Le solvant est la solution aqueuse (à savoir, à base d'eau) généralement utilisée. Mais un autre problème subsiste: Le tantale s'oxyde immédiatement dans l'eau et donc, jusqu'à présent, les fabricants ont dû d'abord revêtir de cuivre la barrière de diffusion en tantale - connue sous le nom de couche de germination, qui protège le tantale de l'eau, tout comme le tantale protège le silicium du cuivre. La couche de germination est appliquée à l'aide d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). «Pourquoi ne pas utiliser simplement la couche de germination pour les interconnexions? Parce que le procédé CVD utilise une ligne de visée: Il dépose suffisamment de cuivre pour recouvrir le tantale, mais pas assez pour rendre les interconnexions permanentes. Il est donc toujours nécessaire de procéder à une électrodéposition sur la couche de germination de cuivre pour remplir les vias d'une quantité de cuivre suffisante en vue des interconnexions,» explique le Professeur Fransaer. En bref, les fabricants de puces se sont prêtés au jeu des «poupées russes» à l'échelle nanométrique. «Cela semble stupide - résoudre un problème en engendre un autre - mais cette façon de procéder a bien fonctionné jusqu'à maintenant,» remarque M. Fransaer. Alors, qu'est-ce qui a changé ? L'échelle. L'épaisseur de la couche de germination de cuivre est de 5 à 10 nm, donc à une échelle inférieure à 22 nm, si bien que la couche - dont le seul but est de protéger la barrière de diffusion en tantale contre l'oxydation pendant la production des puces - finit par prendre beaucoup trop de place. La réponse? «Changer de solvant,» répond le Professeur Fransaer. Résoudre le problème du solvant Au lieu d'utiliser de l'eau, l'équipe du projet Copper a mis au point un procédé innovant utilisant des solvants non aqueux, tels que l'ammoniaque liquide et les liquides ioniques. Ces solvants ne provoquent pas l'oxydation du tantale, permettant ainsi une électrodéposition sans recourir à la couche de germination de cuivre. Le résultat est que les vias d'interconnexion pouvant être réduits, la taille des puces peut l'être également, le nombre de transistors augmenté et la performance électronique grandement améliorée. «L'électrodéposition dans l'ammoniaque liquide et des liquides ioniques n'est pas un procédé nouveau, mais c'est la première fois que celui-ci est utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs,» déclare le Professeur Fransaer. «Cette technique va certainement faciliter la poursuite de la mise en application de la loi de Moore, au moins pour les prochaines générations.» Pour développer le procédé, l'équipe a étudié différents matériaux de plaquette et ingrédients d'électrolyte pour la solution non aqueuse, examiné leurs propriétés physiques et utilisé des techniques analytiques et de simulation en vue de déterminer la meilleure approche. Ils ont ensuite utilisé une micro-modélisation du procédé avant de réaliser un démonstrateur technologique du concept. «Nous naviguions vraiment en terre inconnue. C'était un territoire totalement vierge, car avant le projet Copper aucun article n'avait été publié sur l'utilisation de solutions non aqueuses dans l'industrie des semi-conducteurs,» note le responsable du projet. Il n'est donc pas surprenant que le projet ait suscité un vif intérêt de la part des fabricants de puces quand l'équipe a présenté les résultats lors de conférences internationales. «L'intérêt porté était manifestement important, bien qu'il soit impossible de dire avec certitude si nos recherches ont servi de base à une utilisation commerciale de ce procédé. Malgré tout, je pense que c'est seulement une question de temps avant que les solutions non aqueuses commencent à être utilisées maintenant que nous avons démontré que c'était faisable,» déclare le Professeur Fransaer. Bien que l'ammoniaque - qui a besoin d'être pressurisé pour conserver sa forme liquide - ou les liquides ioniques soient plus rares que l'eau et plus onéreux, leur coût d'utilisation n'est qu'une infime partie des milliards d'euros que représente l'industrie des semi-conducteurs, précise le Professeur Fransaer. «Passer des solutions aqueuses aux solutions non aqueuses n'aurait qu'un infime impact sur les coûts pris globalement,» ajoute-t-il. Sans doute le point le plus important: les travaux de recherche de l'équipe ont permis de découvrir d'autres possibilités, non seulement avec le tantale, mais également avec d'autres métaux et pas seulement pour les applications des semi-conducteurs. Par exemple, les membres du consortium du projet envisagent de poursuivre celui-ci en utilisant des éléments des travaux de recherche du projet Copper pour améliorer la dissipation thermique dans l'électronique de puissance, en particulier celle visant les réseaux d'électricité intelligents qui sont maintenant déployés en Europe et partout ailleurs. «Un grand nombre d'éléments - dont tous les métaux dits nobles - peuvent être traités par électrodéposition à base d'eau, mais beaucoup d'autres ne le peuvent pas: aluminium, silicium, germanium, etc. Nous avons démontré qu'en utilisant une solution non aqueuse certains d'entre eux pouvaient également recevoir un revêtement électrolytique. Cela ouvre la voie vers toute une gamme de nouvelles applications qui n'auraient sans doute pas été concevables avant,» déclare le Professeur Fransaer. Copper a reçu un financement de la recherche au titre du septième programme-cadre (7e PC) de la Commission européenne. Liens utiles: - Site web «The Copper interconnects for advanced performance and reliability» - Fiche d'informations du projet The Copper sur CORDIS - Page web CORDIS consacrée à la nanoélectronique dans le 7e PC Articles connexes: - En vedette: des transistors plus rapides pour une plus grande sécurité routière - Des chercheurs européens font avancer la technologie des semi-conducteurs - EUROPRACTICE en tête dans le domaine de la conception de microprocesseurs