Onderzoekers van MIT en de Universiteit van Colorado hebben een 3D-transistor gefabriceerd die minder dan de helft kleiner is dan de kleinste commerciële modellen van vandaag. Om dit te doen, ze ontwikkelden een nieuwe microfabricagetechniek die halfgeleidermateriaal atoom voor atoom wijzigt.

De inspiratie achter het werk was om bij te blijven met de wet van Moore, een observatie uit de jaren zestig dat het aantal transistors op een geïntegreerde schakeling ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Om aan deze "gouden regel" van elektronica te voldoen, onderzoekers vinden voortdurend manieren om zoveel mogelijk transistors op microchips te proppen. De nieuwste trend is 3D-transistors die verticaal staan, zoals vinnen, en meet ongeveer 7 nanometer in doorsnede - tienduizenden keren dunner dan een mensenhaar. Tientallen miljarden van deze transistors passen op een enkele microchip, die ongeveer zo groot is als een vingernagel.

Zoals beschreven in een paper gepresenteerd op de IEEE International Electron Devices Meeting van deze week, de onderzoekers hebben een recent uitgevonden chemische etstechniek aangepast, thermisch etsen op atomair niveau genoemd (thermische ALE), om precisiemodificatie van halfgeleidermaterialen op atomair niveau mogelijk te maken. Met behulp van die techniek, de onderzoekers fabriceerden 3D-transistoren die zo smal zijn als 2,5 nanometer en efficiënter dan hun commerciële tegenhangers.

Er bestaan ​​tegenwoordig vergelijkbare etsmethoden op atomair niveau, maar de nieuwe techniek is nauwkeuriger en levert transistors van hogere kwaliteit op. Bovendien, het hergebruikt een algemeen microfabricage-instrument dat wordt gebruikt voor het afzetten van atomaire lagen op materialen, wat betekent dat het snel kan worden geïntegreerd. Dit zou computerchips met veel meer transistors en betere prestaties mogelijk kunnen maken, zeggen de onderzoekers.

"We geloven dat dit werk een grote impact zal hebben in de echte wereld, " zegt eerste auteur Wenjie Lu, een afgestudeerde student in MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL). "Terwijl de wet van Moore doorgaat met het verkleinen van de transistorafmetingen, het is moeilijker om dergelijke apparaten op nanoschaal te vervaardigen. Om kleinere transistoren te engineeren, we moeten de materialen kunnen manipuleren met precisie op atomair niveau."

Toetreden tot Lu op het papier zijn:Jesus A. del Alamo, een hoogleraar elektrotechniek en informatica en een MTL-onderzoeker die leiding geeft aan de Xtreme Transistors Group; recent MIT afgestudeerd Lisa Kong '18; MIT-postdoc Alon Vardi; en Jessica Murdzek, Jonas Gertsch, en professor Steven George van de Universiteit van Colorado.

Atoom voor atoom

Microfabricage omvat depositie (groeiende film op een substraat) en etsen (graveren van patronen op het oppervlak). Om transistoren te vormen, het substraatoppervlak wordt blootgesteld aan licht door fotomaskers met de vorm en structuur van de transistor. Al het aan licht blootgestelde materiaal kan met chemicaliën worden weggeëtst, terwijl achter het fotomasker verborgen materiaal achterblijft.

De state-of-the-art technieken voor microfabricage staan ​​bekend als atomic layer deposition (ALD) en atomic layer etching (ALE). in ALD, twee chemicaliën worden op het substraatoppervlak afgezet en reageren met elkaar in een vacuümreactor om een ​​film met de gewenste dikte te vormen, één atoomlaag tegelijk.

Traditionele ALE-technieken maken gebruik van plasma met zeer energetische ionen die individuele atomen op het materiaaloppervlak verwijderen. Maar deze veroorzaken oppervlakteschade. Deze methoden stellen materiaal ook bloot aan lucht, waar oxidatie extra defecten veroorzaakt die de prestaties belemmeren.

in 2016, het team van de Universiteit van Colorado heeft thermische ALE uitgevonden, een techniek die sterk lijkt op ALD en gebaseerd is op een chemische reactie die 'liganduitwisseling' wordt genoemd. In dit proces, een ion in de ene verbinding, een ligand genaamd, die bindt aan metaalatomen, wordt vervangen door een ligand in een andere verbinding. Wanneer de chemicaliën zijn verwijderd, de reactie zorgt ervoor dat de vervangende liganden individuele atomen van het oppervlak strippen. Nog in de kinderschoenen, thermische ALE heeft, tot dusver, alleen gebruikt om oxiden te etsen.

In dit nieuwe werk de onderzoekers hebben thermische ALE aangepast om aan een halfgeleidermateriaal te werken, met dezelfde reactor die is gereserveerd voor ALD. Ze gebruikten een gelegeerd halfgeleidermateriaal, genaamd indium gallium arsenide (of InGaAs), die steeds meer wordt geprezen als een snellere, efficiënter alternatief voor silicium.

De onderzoekers stelden het materiaal bloot aan waterstoffluoride, de verbinding die werd gebruikt voor het oorspronkelijke thermische ALE-werk, die een atomaire laag van metaalfluoride op het oppervlak vormt. Vervolgens, ze goten een organische verbinding in die dimethylaluminiumchloride (DMAC) wordt genoemd. Het liganduitwisselingsproces vindt plaats op de metaalfluoridelaag. Wanneer de DMAC is leeggemaakt, individuele atomen volgen.

De techniek wordt herhaald over honderden cycli. In een aparte reactor de onderzoekers legden vervolgens de "poort, " het metalen element dat de transistoren aanstuurt om in of uit te schakelen.

Bij experimenten, de onderzoekers verwijderden slechts 0,02 nanometer per keer van het oppervlak van het materiaal. "Je bent een soort ui aan het pellen, laag voor laag, " zegt Lu. "In elke cyclus, we kunnen slechts 2 procent van een nanometer van een materiaal wegetsen. Dat geeft ons een superhoge nauwkeurigheid en zorgvuldige controle over het proces."

Omdat de techniek zo op ALD lijkt, "je kunt deze thermische ALE integreren in dezelfde reactor waar je aan depositie werkt, " zegt del Alamo. Het vereist slechts een "klein herontwerp van het afzettingsinstrument om nieuwe gassen te hanteren om afzetting onmiddellijk na het etsen uit te voeren. … Dat is heel aantrekkelijk voor de industrie."

Dunner, betere "vinnen"

Met behulp van de techniek, de onderzoekers fabriceerden FinFET's, 3D-transistors die in veel van de huidige commerciële elektronische apparaten worden gebruikt. FinFET's bestaan ​​uit een dunne "vin" van silicium, verticaal op een ondergrond staan. De poort is in wezen rond de vin gewikkeld. Door hun verticale vorm, ergens tussen de 7 miljard en 30 miljard FinFET's kunnen op een chip worden geperst. Vanaf dit jaar is Appel, Qualcomm, en andere technologiebedrijven begonnen FinFET's van 7 nanometer te gebruiken.

De meeste FinFET's van de onderzoekers waren minder dan 5 nanometer breed - een gewenste drempel in de industrie - en ongeveer 220 nanometer hoog. Bovendien, de techniek beperkt de blootstelling van het materiaal aan door zuurstof veroorzaakte defecten die de transistors minder efficiënt maken.

Het apparaat presteerde ongeveer 60 procent beter dan traditionele FinFET's in "transconductance, " rapporteren de onderzoekers. Transistors zetten een kleine spanningsinvoer om in een stroom die wordt geleverd door de poort die de transistor in- of uitschakelt om de 1s (aan) en 0s (uit) te verwerken die de berekening aansturen. Transconductantie meet hoeveel energie het kost om te converteren die spanning.

Het beperken van defecten leidt ook tot een hoger aan-uit-contrast, zeggen de onderzoekers. Ideaal, je wilt dat er een hoge stroom vloeit als de transistors aan staan, om zware berekeningen te verwerken, en er vloeit bijna geen stroom als ze uit zijn, om energie te besparen. "Dat contrast is essentieel bij het maken van efficiënte logische schakelaars en zeer efficiënte microprocessors, " zegt del Alamo. "Tot nu toe, we hebben de beste verhouding [onder FinFET's]."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.