Une nouvelle étude menée par l'Université de Princeton montre qu'en introduisant des traces d'oxygène ou de fluor sur la surface de matériaux bidimensionnels spécifiques, la contrôlabilité du processus de gravure au plasma peut être considérablement améliorée, ce qui devrait favoriser la fabrication d'une nouvelle génération de puces informatiques plus petites, plus rapides et plus économes en énergie. Cette avancée majeure constitue un moyen clé pour l'introduction de nouveaux matériaux ultra-fins basés sur les processus traditionnels du silicium.
Les puces commerciales d'aujourd'hui intègrent des milliards de transistors en silicium par pouce carré, mais les matériaux en silicium se rapprochent progressivement des limites physiques en termes de réduction de taille et d'amélioration des performances. Afin de poursuivre l'évolution de la loi de Moore, la communauté de la recherche scientifique a porté son attention sur un type de dichalcogénure de métal de transition (TMD) ultra-mince, dans l'espoir qu'il puisse fonctionner en conjonction avec le silicium pour construire de futures structures de transistors. Parmi ces matériaux candidats, le disulfure de molybdène (MoS₂) présente un intérêt particulier, car il n'a que trois couches atomiques d'épaisseur : une couche d'atomes de molybdène au milieu et une couche d'atomes de soufre au-dessus et en dessous.
Pour intégrer efficacement ce type de matériau TMD dans une structure de puce, le processus de fabrication nécessite souvent de « décoller une seule couche » - en enlevant précisément la couche supérieure d'atomes de soufre à la surface tout en laissant intactes la couche inférieure de molybdène et la couche inférieure de soufre. La méthode actuellement couramment utilisée dans l'industrie est un processus de gravure au plasma, qui utilise des particules chargées à haute énergie, similaires à l'état physique du soleil et des étoiles, pour bombarder la surface du matériau et éliminer les atomes un par un.
La difficulté est qu’il existe une répartition de l’énergie ionique dans le plasma et que la fenêtre de traitement est extrêmement étroite pour éliminer les atomes de soufre à la surface sans endommager les atomes de molybdène immédiatement en dessous. Si l’énergie est légèrement inférieure, les atomes de soufre ne peuvent pas être complètement éliminés ; si l'énergie est légèrement supérieure, la couche de molybdène peut être endommagée, ce qui fait perdre à l'ensemble du matériau sa valeur en tant que couche de canal haute performance. C’est ce problème de contrôle de processus de « légère différence » qui a limité pendant de nombreuses années l’application à grande échelle des matériaux TMD dans les processus de fabrication avancés.
Ce travail réalisé par une équipe de recherche de Princeton et d'autres institutions, grâce à des simulations informatiques à grande échelle, a trouvé une solution « d'assistance chimique » apparemment simple mais très efficace : recouvrir fonctionnellement la surface du bisulfure de molybdène avec de l'oxygène ou du fluor avant le traitement au plasma. Les résultats de la simulation montrent que cette étape supplémentaire élargit considérablement la fenêtre de sécurité du processus, facilitant ainsi l'élimination de la couche supérieure d'atomes de soufre sans endommager la couche de molybdène sous-jacente.
La recherche montre que pour éliminer un atome de soufre à la surface du bisulfure de molybdène non traité, une énergie incidente d'environ 30 électrons-volts est nécessaire. Une fois pré-revêtu de fluor, ce seuil d'énergie peut être réduit à environ 10 électrons-volts ; avec un revêtement d'oxygène, elle peut être réduite à environ 14 électrons-volts. En comparaison, les énergies correspondant aux deux résultats « élimination du soufre » et « perçage de la couche de molybdène » dans la situation d'origine sont très proches, ce qui rend difficile d'éviter d'endommager le corps principal du matériau pendant le traitement réel.
Avec les revêtements d'oxygène ou de fluor, l'énergie nécessaire pour détacher les atomes de soufre est considérablement réduite, créant ainsi une plus grande distance par rapport au « seuil de dommage ». Dans cette fenêtre de fonctionnement plus large, même s'il existe certaines fluctuations de l'énergie des ions dans le plasma, il existe toujours une plus grande probabilité que seule l'élimination sélective des atomes de soufre à la surface soit déclenchée sans endommager la couche de molybdène au cœur de la structure. Cette différence est essentielle dans la recherche d’une précision au niveau atomique dans la fabrication de semi-conducteurs.
L'équipe de recherche a souligné que la clé de la nouvelle stratégie est de « laisser les réactions chimiques aider » plutôt que de s'appuyer entièrement sur l'impact physique des particules de plasma. Lorsque des ions à grande vitesse frappent la surface de MoS₂ préalablement recouverte d'oxygène, deux atomes d'oxygène proches auront tendance à se combiner avec un atome de soufre pour générer une molécule de dioxyde de soufre gazeux. Cette molécule est thermodynamiquement très stable et se détache plus facilement spontanément de la surface du matériau, ce qui équivaut à « éliminer le soufre par une réaction chimique ».
De même, si un revêtement fluoré est utilisé, un composé intermédiaire contenant des liaisons soufre-fluor sera généré, qui est également plus facile à rompre que les liaisons S-Mo d'origine, permettant ainsi une gravure de surface douce et sélective. Le premier auteur de l'article, Yury Polyachenko, étudiant diplômé au Département de chimie de l'Université de Princeton et membre d'été 2025 du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL), a déclaré qu'ils n'avaient pas directement rompu les liaisons chimiques les plus fortes à l'intérieur du matériau, mais avaient d'abord généré de « meilleurs » produits intermédiaires grâce à la fonctionnalisation, puis les avaient éliminés avec moins d'énergie.
Ce résultat a été publié dans The Journal of Physical Chemistry Letters et discute en détail de l'impact des différentes méthodes de fonctionnalisation de surface sur les barrières énergétiques et les risques de dommages. Les travaux de simulation actuels visent principalement à répondre à la question « Est-ce qu'il sera endommagé ? » Au cours de la prochaine phase, l'équipe prévoit de quantifier davantage les types de défauts et les densités spécifiques produits dans différentes conditions de traitement, fournissant ainsi davantage de conseils sur les paramètres opérationnels à l'industrie.
Les chercheurs prévoient également d’étendre cette idée à une gamme plus large de systèmes de matériaux, comme le remplacement du molybdène par du tungstène, le remplacement du soufre par du sélénium, etc., pour voir si cette combinaison de fonctionnalisation oxygène/fluor et de gravure sélective au plasma est également applicable. Si des effets similaires peuvent être reproduits dans une variété de matériaux TMD, cela ouvrira plus d'espace pour la sélection de matériaux de canaux ultra-minces et la conception de structures d'empilement multi-matériaux à l'avenir.
La recherche a été financée par l'Office of Science du Département américain de l'énergie et a été menée dans le cadre du projet de recherche en microélectronique Extreme Lithography & Materials Innovation Center entrepris par le laboratoire de physique des plasmas de Princeton. Les simulations numériques pertinentes à grande échelle sont principalement réalisées au Centre national de calcul scientifique de recherche énergétique (NERSC) et aux clusters de calcul haute performance Stellar, Della et Tiger de l'Université de Princeton.