Ingeniører producerer den mindste 3D-transistor endnu

Forskere fra MIT og University of Colorado har fremstillet en 3D-transistor, der er mindre end halvdelen af ​​størrelsen af ​​nutidens mindste kommercielle modeller. For at gøre det, de udviklede en ny mikrofremstillingsteknik, der modificerer halvledermateriale atom for atom.

Inspirationen bag arbejdet var at holde trit med Moores lov, en observation lavet i 1960'erne, at antallet af transistorer på et integreret kredsløb fordobles cirka hvert andet år. For at overholde denne "gyldne regel" for elektronik, forskere finder hele tiden måder at proppe så mange transistorer som muligt på mikrochips. Den nyeste trend er 3-D transistorer, der står lodret, som finner, og måler omkring 7 nanometer på tværs - titusindvis af gange tyndere end et menneskehår. Titusvis af milliarder af disse transistorer kan passe på en enkelt mikrochip, som er omtrent på størrelse med en fingernegl.

Som beskrevet i et papir præsenteret på denne uges IEEE International Electron Devices Meeting, forskerne ændrede en nyligt opfundet kemisk ætsningsteknik, kaldet termisk atomniveauætsning (termisk ALE), at muliggøre præcisionsmodifikation af halvledermaterialer på atomniveau. Ved at bruge den teknik, forskerne fremstillede 3-D transistorer, der er så smalle som 2,5 nanometer og mere effektive end deres kommercielle modstykker.

Lignende ætsningsmetoder på atomniveau findes i dag, men den nye teknik er mere præcis og giver transistorer af højere kvalitet. I øvrigt, det genbruger et almindeligt mikrofremstillingsværktøj, der bruges til at afsætte atomlag på materialer, hvilket betyder, at det hurtigt kan integreres. Dette kunne muliggøre computerchips med langt flere transistorer og større ydeevne, siger forskerne.

"Vi tror på, at dette arbejde vil have stor indvirkning på den virkelige verden, " siger førsteforfatter Wenjie Lu, en kandidatstuderende i MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL). "I takt med at Moores lov fortsætter med at nedskalere transistorstørrelser, det er sværere at fremstille sådanne enheder i nanoskala. At konstruere mindre transistorer, vi skal være i stand til at manipulere materialerne med præcision på atomniveau."

Med Lu på papiret er:Jesus A. del Alamo, en professor i elektroteknik og datalogi og en MTL-forsker, der leder Xtreme Transistors Group; nyuddannet MIT Lisa Kong '18; MIT postdoc Alon Vardi; og Jessica Murdzek, Jonas Gertsch, og professor Steven George fra University of Colorado.

Atom for atom

Mikrofremstilling involverer aflejring (dyrkning af film på et substrat) og ætsning (gravering af mønstre på overfladen). For at danne transistorer, substratoverfladen bliver udsat for lys gennem fotomasker med transistorens form og struktur. Alt materiale udsat for lys kan ætses væk med kemikalier, mens materiale skjult bag fotomasken forbliver.

De avancerede teknikker til mikrofremstilling er kendt som atomic layer deposition (ALD) og atomic layer etching (ALE). I ALD, to kemikalier aflejres på substratoverfladen og reagerer med hinanden i en vakuumreaktor for at danne en film af ønsket tykkelse, et atomlag ad gangen.

Traditionelle ALE-teknikker bruger plasma med meget energiske ioner, der fjerner individuelle atomer på materialets overflade. Men disse forårsager overfladeskader. Disse metoder udsætter også materiale for luft, hvor oxidation forårsager yderligere defekter, der hæmmer ydeevnen.

I 2016 University of Colorado-teamet opfandt termisk ALE, en teknik, der minder meget om ALD og er afhængig af en kemisk reaktion kaldet "ligandudveksling". I denne proces, en ion i en forbindelse kaldet en ligand - som binder til metalatomer - bliver erstattet af en ligand i en anden forbindelse. Når kemikalierne renses væk, reaktionen får erstatningsliganderne til at fjerne individuelle atomer fra overfladen. Stadig i sin vorden, termisk ALE har, indtil nu, kun brugt til at ætse oxider.

I dette nye værk, forskerne modificerede termisk ALE til at arbejde på et halvledermateriale, ved at bruge den samme reaktor reserveret til ALD. De brugte et legeret halvledermateriale, kaldet indium gallium arsenid (eller InGaAs), som i stigende grad bliver rost som en hurtigere, mere effektivt alternativ til silicium.

Forskerne udsatte materialet for hydrogenfluorid, den forbindelse, der blev brugt til det oprindelige termiske ALE-arbejde, som danner et atomlag af metalfluorid på overfladen. Derefter, de hældte i en organisk forbindelse kaldet dimethylaluminiumchlorid (DMAC). Ligand-udvekslingsprocessen sker på metalfluoridlaget. Når DMAC'en er renset, individuelle atomer følger.

Teknikken gentages over hundredvis af cyklusser. I en separat reaktor, forskerne deponerede derefter "porten, "det metalliske element, der styrer transistorerne til at tænde eller slukke.

I eksperimenter, forskerne fjernede kun 0,02 nanometer fra materialets overflade ad gangen. "Du skræller lidt et løg, lag for lag, " siger Lu. "I hver cyklus, vi kan ætse kun 2 procent af en nanometer af et materiale væk. Det giver os super høj nøjagtighed og omhyggelig kontrol over processen."

Fordi teknikken minder så meget om ALD, "du kan integrere denne termiske ALE i den samme reaktor, hvor du arbejder med deponering, " siger del Alamo. Det kræver blot et "lille redesign af deponeringsværktøjet til at håndtere nye gasser for at foretage deponering umiddelbart efter ætsning. … Det er meget attraktivt for industrien."

Tyndere, bedre "finner"

Ved at bruge teknikken, forskerne fremstillede FinFET'er, 3-D transistorer brugt i mange af nutidens kommercielle elektroniske enheder. FinFET'er består af en tynd "finne" af silicium, stående lodret på et underlag. Porten er i det væsentlige viklet rundt om finnen. På grund af deres lodrette form, hvor som helst fra 7 milliarder til 30 milliarder FinFET'er kan klemme sig ind på en chip. Fra og med i år, Æble, Qualcomm, og andre teknologivirksomheder begyndte at bruge 7-nanometer FinFET'er.

De fleste af forskernes FinFET'er målte under 5 nanometer i bredden - en ønsket tærskel på tværs af industrien - og omkring 220 nanometer i højden. I øvrigt, Teknikken begrænser materialets eksponering for ilt-forårsagede defekter, der gør transistorerne mindre effektive.

Enheden klarede sig omkring 60 procent bedre end traditionelle FinFET'er i "transkonduktans, " rapporterer forskerne. Transistorer konverterer en lille spændingsindgang til en strøm leveret af porten, der tænder eller slukker transistoren for at behandle 1'erne (tændt) og 0'erne (fra), der driver beregningen. Transkonduktans måler, hvor meget energi det tager at konvertere den spænding.

Begrænsning af defekter fører også til en højere on-off kontrast, siger forskerne. Ideelt set du vil have høj strøm, når transistorerne er tændt, at håndtere tunge beregninger, og der flyder næsten ingen strøm, når de er slukket, at spare energi. "Denne kontrast er afgørende for at lave effektive logiske kontakter og meget effektive mikroprocessorer, " siger del Alamo. "Indtil videre, vi har det bedste forhold [blandt FinFET'er]."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.