Brevet FR3082033A1 — publié le 20191206

PROCEDE DE FABRICATION D'UN CALCULATEUR A RESEAUX DE NEURONES RECURRENTS Domaine technique L'invention se rapporte au domaine technique des calculateurs à réseaux de neurones récurrents. Les réseaux de neurones récurrents sont des réseaux de neurones artificiels où les connexions entre les unités forment au moins un cycle au sens de la théorie des graphes. Plus précisément, le domaine technique concerne les réseaux de neurones récurrents entraînés par le paradigme « Reservoir computing». Ce paradigme est un système dynamique hautement non- linéaire, comportant : - une couche d'entrée ; - une couche cachée, appelée réservoir, munie de connexions récurrentes fixées de manière aléatoire ; - une couche de sortie (« readout» en langue anglaise). Le principe de ce paradigme est de projeter la couche d'entrée vers le réservoir, puis de modifier les connexions allant du réservoir vers la couche de sortie par un apprentissage supervis é. En d'autres termes, l'invention se rapporte à un calculateur qui est une implémentation physique ou matérielle (« hardware» en langue anglaise) du paradigme « Reservoir computing». L'invention trouve notamment son application dans la classification de tâches, l'extraction de caractéristiques, la poursuite d'objets (« tracking» en langue anglaise), la prédiction de mouvements en robotique, la reconnaissance vocale et la reconnaissance sonore. Etat de la technique antérieure Un procédé de fabrication d'un calculateur à réseaux de neurones récurrents, connu de l'état de la technique, notamment du document « Atomic switch networks - nanoarchitectonic design o fa complex .rystem for natural computing», E.C. Demis et al., Nanotechnolog-y, 26, 204003, 2015, comporte une étape de croissance aléatoire de nanofils d'argent sur une électrode structurée de platine. Le caractère aléatoire est obtenu par une étape préalable de formation de microsphères de cuivre sur l'électrode structurée. Les microsphères de cuivre forment une couche germe pour les nanofils d'argent. Le procédé comporte une étape de sulfuration des nanofils d'argent de manière à obtenir des structures du type Ag/Ag2S/Ag. De telles structures forment des cellules de mémoire résistive de type interrupteur atomique. 2 Un tel procédé de l'état de la technique permet la fabrication d'un calculateur qui est une implémentation physique du paradigme « Reservoir computing». Toutefois, un tel procédé de l'état de la technique n'est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où le choix des matériaux pour la mémoire résistive est restreint. En effet, il est nécessaire de choisir un 5 couple de matériaux compatible, de type conducteur électrique/diélectrique, pour la formation des nanofils et des cellules de mémoire résistive, en l'espèce Ag/Ag2S. Exposé de l'invention L'invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, 10 l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un calculateur à réseaux de neurones récurrents, comportant les étapes successives : a) prévoir un substrat comportant une couche diélectrique ; b) former une première couche de copolymères à blocs sur une partie de la couche diélectrique de sorte que la couche diélectrique présente des zones libres avec une distribution 15 spatiale aléatoire ; c) graver les zones libres de la couche diélectrique de manière à structurer la couche diélectrique ; d) retirer la première couche de copolymères à blocs ; d') former une première électrode sur la couche diélectrique structurée lors de l'étape c) ; 20 e) former une couche mémoire, de type mémoire résistive, sur la première électrode ; f) former une deuxième électrode sur la couche mémoire ; g) former une deuxième couche de copolymère à blocs sur une partie de la deuxième électrode de sorte que la deuxième électrode présente des zones libres avec une distribution spatiale aléatoire ; 25 h) graver les zones libres de la deuxième électrode de manière à structurer la deuxième électrode ; i) retirer la deuxième couche de copolymères à blocs. Ainsi, un tel procédé selon l'invention permet l'implémentation physique d'un calculateur 30 à réseaux de neurones récurrents pouvant être entraînés par le paradigme «Reservoir Computing». En effet, les copolymères à bloc possèdent la propriété de s'auto-assembler en réseaux denses d'objets nanométriques avec la capacité de former un masque de lithographie. Cet auto-assemblage introduit le caractère aléatoire nécessaire dans le paradigme « Reservoir Computing», c'est-à-dire par exemple : 3 - des connexions récurrentes fixées de manière aléatoire dans le réservoir ; -un nombre stochastique d'unités (une unité correspondant à une cellule de mémoire résistive, située à une intersection entre les première et deuxième électrodes) ; - un temps de latence aléatoire entre les unités (e.g. une distance aléatoire entre les 5 unités) ; - un poids aléatoire des unités par une conductance aléatoire des cellules de la mémoire résistive (les cellules de la mémoire résistive étant formées par les zones d'intersection entre la couche mémoire et les première et deuxième électrodes). En outre, le masque de lithographie ainsi formé par les première et deuxième couches de 10 copolymères à blocs permet de structurer la couche diélectrique et la deuxième électrode lors des étapes c) et h). La première électrode est également structurée lors de l'étape d') en étant formée sur la couche diélectrique structurée, par exemple par un dépôt conforme. La couche mémoire est également structurée lors de l'étape e) en étant formée sur la première électrode structurée, par exemple par un dépôt conforme. 15 Enfin, un tel procédé selon l'invention autorise une liberté sur le choix du matériau de la couche mémoire dans la mesure où la couche mémoire est formée indépendamment des première et deuxième couches de copolymères à blocs. Définitions - Par « électrode structurée », on entend une électrode présentant une surface discontinue 20 délimitant un ensemble de motifs. - Par « couche diélectrique structurée », on entend une couche (ou une pluralité de sous-couches) diélectrique(s) présentant une surface discontinue délimitant un ensemble de motifs. - Par « zones libres » on entend des zones de la couche diélectrique ou de la deuxième électrode qui ne sont pas recouvertes par la couche de copolymère à blocs. 25 - Par « couche mémoire », on entend une couche ou une pluralité de sous-couches (par exemple réalisée(s) dans un matériau de type oxyde ou de type chalcogénure) formant, avec les première et deuxième électrodes, une mémoire résistive (ReRam « Resistive random-access memog» en langue anglaise). Plus précisément, les cellules de la mémoire résistive sont situées aux intersections entre les première et deuxième électrodes. 30 Le procédé selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Selon une caractéristique de l'invention, l'étape b) comporte les étapes successives : 4 b1) former une couche d'un polymère aléatoire sur la couche diélectrique ; b2) greffer la couche du polymère aléatoire sur une partie de la couche diélectrique ; b3) former la première couche de copolymères à blocs sur la couche du polymère aléatoire greffée lors de l'étape b2) ; 5 b4) retirer la couche du polymère aléatoire greffée. Par « polymère aléatoire », on entend un polymère possédant une pelote aléatoire. Ainsi, la couche du polymère aléatoire est une couche de fonctionnalisation permettant de contrôler les énergies de surface de la couche diélectrique. Un avantage procuré est 10 d'accentuer le caractère aléatoire et d'améliorer la qualité de la formation de la première couche de copolymères à blocs. Selon une caractéristique de l'invention, l'étape g) comporte les étapes successives : gi) former une couche d'un polymère aléatoire sur la deuxième électrode ; 15 g2) greffer la couche du polymère aléatoire sur une partie de la deuxième électrode ; g3) former la deuxième couche de copolymères à blocs sur la couche du polymère aléatoire greffée lors de l'étape g2) ; g4) retirer la couche du polymère aléatoire greffée. Ainsi, la couche du polymère aléatoire est une couche de fonctionnalisation permettant de 20 contrôler les énergies de surface de la deuxième électrode. Un avantage procuré est d'accentuer le caractère aléatoire et d'améliorer la qualité de la formation de la deuxième couche de copolymères à blocs. En outre, le caractère aléatoire est accentué par la topologie de surface de la couche mémoire issue de la structuration de la couche diélectrique lors de l'étape c). 25 Selon une caractéristique de l'invention, le polymère aléatoire est sélectionné dans le groupe comportant un copolymère statistique, un homopolymère, une monocouche auto-assemblée. 30 Selon une caractéristique de l'invention, les copolymères à blocs de la première couche et de la deuxième couche sont sélectionnés dans le groupe comportant : - le polystyrène et le polyméthacrylate de méthyle, noté PS-PMMA ; - le polystyrène et l'acide polylactique, noté PS-PLA ; - le polystyrène et le poly(oxyde d'éthylène), noté PS-PEO ; - le polystyrène et le polydiméthylsiloxane, noté PS-PDMS ; 5 - le polystyrène, le polyméthacrylate de méthyle, et le poly(oxyde d'éthylène), noté PSPMMA-PEO, - le polystyrène et le poly(2-vinyl pyridine), noté PS-P2VP. 5 Selon une caractéristique de l'invention, la couche mémoire est réalisée dans au moins un matériau sélectionné dans le groupe comportant Hf02, A1203, 5i02, ZrO, un oxyde de titane, un chalcogénure, Ta205. Selon une caractéristique de l'invention, les première et deuxième électrodes sont réalisées 10 dans au moins un matériau sélectionné dans le groupe comportant Ti, TiN, Pt, Zr, Al, Hf, Ta, TaN, C, Cu, Ag. Selon une caractéristique de l'invention, la première couche de copolymères à blocs et la deuxième couche de copolymères à blocs formées respectivement lors des étapes b) et g) 15 présentent une épaisseur comprise entre 30 nm et 50 nm. Ainsi, un avantage procuré est d'obtenir un masque de lithographie de bonne qualité pour structurer la couche diélectrique et la deuxième électrode. Selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte une étape j) consistant à 20 former une couche d'encapsulation sur la deuxième électrode structurée lors de l'étape h), l'étape j) étant exécutée après l'étape i). Ainsi, un avantage procuré est de protéger le calculateur de l'air et de l'humidité. Selon une caractéristique de l'invention, la couche diélectrique structurée lors de l'étape c) 25 présente un pas, noté p, et dans lequel les étapes d') et e) sont exécutées de sorte que la première électrode et la couche mémoire présentent respectivement des première et deuxième épaisseurs, notée El et E2, vérifiant : -P REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un calculateur (1) à réseaux de neurones récurrents, comportant les étapes successives : a) prévoir un substrat (2) comportant une couche diélectrique (20) ; b) former une première couche (3) de copolymères à blocs sur une partie de la couche diélectrique (20) de sorte que la couche diélectrique (20) présente des zones libres (ZL) avec une distribution spatiale aléatoire ; c) graver les zones libres (ZL) de la couche diélectrique (20) de manière à structurer la 10 couche diélectrique (20) ; d) retirer la première couche (3) de copolymères à blocs ; d') former une première électrode (20') sur la couche diélectrique structurée (200) lors de l'étape c) ; e) former une couche mémoire (4), de type mémoire résistive, sur la première électrode 15 (20'); f) former une deuxième électrode (21) sur la couche mémoire ; g) former une deuxième couche (5) de copolymère à blocs sur une partie de la deuxième électrode (21) de sorte que la deuxième électrode (21) présente des zones libres (ZL) avec une distribution spatiale aléatoire ; 20 h) graver les zones libres (ZL) de la deuxième électrode (21) de manière à structurer la deuxième électrode (21) ; i) retirer la deuxième couche (5) de copolymères à blocs. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) comporte les étapes 25 successives : b1) former une couche d'un polymère aléatoire sur la couche diélectrique (20) ; b2) greffer la couche du polymère aléatoire sur une partie de la couche diélectrique (20) ; b3) former la première couche (3) de copolymères à blocs sur la couche du polymère aléatoire greffée lors de l'étape b2) ; 30 b4) retirer la couche du polymère aléatoire greffée. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape g) comporte les étapes successives : gi) former une couche d'un polymère aléatoire sur la deuxième électrode (21) ; 35 g2) greffer la couche du polymère aléatoire sur une partie de la deuxième électrode (21) ; 14 g3) former la deuxième couche (5) de copolymères à blocs sur la couche du polymère aléatoire greffée lors de l'étape g2) ; g4) retirer la couche du polymère aléatoire greffée. 5 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le polymère aléatoire est sélectionné dans le groupe comportant un copolymère statistique, un homopolymère, une monocouche auto-assemblée. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les copolymères à blocs de la 10 première couche (3) et de la deuxième couche (5) sont sélectionnés dans le groupe comportant : - le polystyrène et le polyméthacrylate de méthyle, noté PS-PMMA ; - le polystyrène et l'acide polylactique, noté PS-PLA ; - le polystyrène et le poly(oxyde d'éthylène), noté PS-PEO ; 15 - le polystyrène et le polydiméthylsiloxane, noté PS-PDMS ; - le polystyrène, le polyméthacrylate de méthyle, et le poly(oxyde d'éthylène), noté PSPMMA-PEO, - le polystyrène et le poly(2-vinyl pyridine), noté PS-P2VP. 20 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche mémoire (4) est réalisée dans au moins un matériau sélectionné dans le groupe comportant Hf02, A1203, Si02, ZrO, un oxyde de titane, un chalcogénure, Ta205. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les première et deuxième 25 électrodes (20', 21) sont réalisées dans au moins un matériau sélectionné dans le groupe comportant Ti, TiN, Pt, Zr, Al, Hf, Ta, TaN, C, Cu, Ag. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la première couche (3) de copolymères à blocs et la deuxième couche (5) de copolymères à blocs formées 30 respectivement lors des étapes b) et g) présentent une épaisseur comprise entre 30 nm et 50 nm. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, comportant une étape j) consistant à former une couche d'encapsulation (6) sur la deuxième électrode structurée (210) lors de 35 l'étape h), l'étape j) étant exécutée après l'étape i). 15 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche diélectrique (20) structurée lors de l'étape c) présente un pas, noté p, et dans lequel les étapes d') et e) sont exécutées de sorte que la première électrode (20') et la couche mémoire (4) présentent 5 respectivement des première et deuxième épaisseurs, notée E1 et E2, vérifiant : P -2 El + E2 p 11. Calculateur (1) à réseaux de neurones récurrents obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 10.10