Faire un câblage qui ne déclenche pas les puces informatiques

Alors que les fabricants de puces réduisent agressivement les circuits intégrés pour fournir toujours plus de puissance de calcul, une grande partie de l'accent a été mis sur l'amélioration des transistors. Mais les performances ont également été limitées par le câblage en cuivre qui transporte les informations autour des puces.

Aujourd'hui, à la Semicon Ouest conférence à San Francisco, fabricant d'équipements semi-conducteurs Matériaux appliqués a annoncé un outil qui, selon lui, résout une partie de ce problème en fabriquant des fils de puce qui comportent moins d'erreurs. Les observateurs de l'industrie disent que la nouvelle technologie pourrait éviter des problèmes de fabrication coûteux à court terme.

Les transistors se sont améliorés au fur et à mesure qu'ils sont devenus plus petits, et les fils de cuivre se sont empirés, dit Robert Geer , professeur de science à l'échelle nanométrique à l'Université d'État de New York à Albany. Au fur et à mesure que ces fils, également appelés interconnexions, s'amincissent, leur résistance électrique augmente. Les fils qui transportent les signaux autour des circuits intégrés de pointe sont désormais les principales sources de consommation d'énergie, d'accumulation de chaleur et de retards de signal.

Au fur et à mesure que les interconnexions ont diminué, elles sont également devenues plus difficiles à construire. C'est ce problème de fabrication que les nouvelles machines d'Applied Materials promettent de résoudre. Les puces informatiques les plus puissantes d'aujourd'hui sont remplies de milliards de transistors de 20 nanomètres. Des dizaines de couches isolantes sont empilées sur le dessus des transistors avec un câblage en cuivre. À leur point le plus petit, où les fils se connectent aux transistors, ces fils mesurent également environ 20 nanomètres.

Ces fils sont construits couche par couche en déposant du cuivre dans des trous cylindriques de la couche isolante. Au fur et à mesure que le cuivre pénètre dans les trous minuscules mais profonds nécessaires à la prochaine génération de puces, de petites bulles ont tendance à se former, un défaut catastrophique.

Les puces d'aujourd'hui contiennent environ 100 kilomètres de câblage en cuivre, le potentiel d'erreurs est donc énorme. Et si l'un de ces fils ne fonctionne pas à cause d'une erreur dans une couche - quelque chose qui est impossible à détecter tant que la puce n'est pas terminée et testée - la puce doit être jetée. Les petites erreurs ont un prix élevé : les défauts à raison d'un par milliard entraînent une baisse de rendement de 25 %, explique Sree Kesapragada, chef de produit mondial pour les produits de dépôt de métaux d'Applied Materials.

La société affirme que sa nouvelle machine de dépôt de cuivre, appelée Endura Amber, peut fabriquer des interconnexions en cuivre inférieures à 10 nanomètres sans affecter le rendement. Comme les machines précédentes, elle utilise un processus appelé dépôt physique en phase vapeur ionisé pour recouvrir la puce d'une couche de cuivre. La nouveauté est que la machine chauffe ensuite la puce afin que le cuivre s'écoule dans le trou, réduisant ainsi le risque de défauts. Effectuer les étapes de dépôt et de chauffage dans la même chambre n'est pas anodin et était quelque chose que les ingénieurs de l'entreprise considéraient à l'origine comme une idée farfelue, explique Kevin Moraes, qui gère les produits de dépôt de métal d'Applied Materials.

Cette idée farfelue pourrait aider les fabricants à utiliser l'infrastructure de fabrication de puces existante pour la prochaine génération de puces. Mais cela ne résoudra pas le plus gros problème : le fait que les fils de cuivre plus petits causent des problèmes de performances majeurs. Chaque avancée incrémentielle met en évidence le fait que vous devez travailler sur ces grandes solutions afin de pouvoir suivre les énormes améliorations des performances informatiques auxquelles nous sommes habitués, explique Geer.

La solution qui perturberait le moins l'infrastructure de fabrication des puces serait de trouver un autre métal qui reste conducteur même lorsqu'il est transformé en fils très minces, et qui ne chauffe pas autant que le cuivre, explique Jonathan Candelaria, directeur des sciences de l'interconnexion. au Société de recherche sur les semi-conducteurs . Les chercheurs étudient divers alliages, le tungstène, ou la possibilité de revenir à l'aluminium, le matériau d'interconnexion de choix jusqu'à il y a environ 20 ans.

Pendant un certain temps, les chercheurs ont mis de grands espoirs dans de nouveaux nanomatériaux de carbone, dont le graphène. Une partie du problème avec le cuivre est que les électrons dispersent les imperfections du matériau. Les nanotubes et le graphène, en revanche, permettent aux électrons de naviguer en douceur. Mais les chercheurs apprennent encore à travailler avec ces matériaux. Geer essaie donc de développer de nouvelles façons de structurer les métaux conventionnels afin que, comme les nanotubes et le graphène, ils conduisent sans diffusion. Saroj Nayak , professeur de physique au Rensselaer Polytechnic Institute de Troy, New York, travaille également sur des astuces pour améliorer les conducteurs métalliques. Il développe de nouveaux matériaux isolants qui sollicitent le câblage métallique pour améliorer la conductivité.

Mais on ne sait pas laquelle de ces solutions, le cas échéant, fonctionnera. Applied Materials ne commenterait pas ce pour quoi il est préparé au-delà du cuivre. Cette incertitude est un gros problème, dit Candelaria, car il faut généralement sept à 10 ans pour incorporer un nouveau matériau dans la fabrication de semi-conducteurs. Pendant ce temps, les problèmes de performances du cuivre deviendront insurmontables dans cinq à dix ans. Nous pouvons voir ce mur de briques rouges d'une catastrophe imminente devant nous, dit Candelaria.

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