Инженеры Массачусетского технологического института «вырастили» транзистор толщиной в атом

КЕМБРИДЖ, Массачусетс — Новые приложения ИИ, такие как чат-боты, которые генерируют естественный человеческий язык, требуют более плотных и мощных компьютерных чипов. Но полупроводниковые чипы традиционно изготавливаются из объемных материалов, которые представляют собой трехмерные структуры квадратной формы, поэтому укладка нескольких слоев транзисторов для создания более плотной интеграции очень затруднительна.

Однако полупроводниковые транзисторы, изготовленные из ультратонких 2D-материалов толщиной всего около трех атомов каждый, можно накладывать друг на друга для получения еще более мощных чипов. С этой целью исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали новый метод, который может эффективно и действенно «выращивать» слои двумерных слоев динатрийхалькогенида переходного металла (TMD) поверх полностью изготовленной кремниевой пластины, чтобы обеспечить более интенсивную интеграцию.

Выращивание 2D-материалов непосредственно на кремниевом КМОП-чипе представляет собой серьезную проблему, поскольку для этого процесса обычно требуется температура около 600 °C, а кремниевые транзисторы и схемы могут выйти из строя при нагреве выше 400 °C. Теперь междисциплинарная группа исследователей Массачусетского технологического института разработала низкотемпературный процесс выращивания, который не повреждает чип. Эта технология позволяет интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы непосредственно поверх стандартных кремниевых схем.

В прошлом исследователи разрабатывали 2D-материалы в другом месте, а затем переносили их на чип или пластину. Это часто вызывает дефекты, препятствующие работе конечных устройств и схем. Кроме того, плавное перемещение материалов становится очень затруднительным в масштабе пластины. Напротив, этот новый процесс позволяет получить очень гладкий однородный слой по всей 8-дюймовой пластине.

Новая технология также способна значительно сократить время, необходимое для выращивания этих материалов. В то время как предыдущие методы требовали более суток для выращивания одного слоя 2D-материала, новый подход позволяет выращивать равномерный слой материала TMD менее чем за час на целых 8-дюймовых пластинах.

Благодаря высокой скорости и высокой однородности новая техника позволила исследователям успешно наплавить двухмерный слой материала на гораздо большие поверхности, чем это было продемонстрировано ранее. Это делает их метод более подходящим для использования в коммерческих приложениях, где ключевыми являются микросхемы размером 8 дюймов и более.

«Использование 2D-материалов — эффективный способ увеличить плотность интегральной схемы. То, что мы делаем, похоже на строительство многоэтажного дома. Если у вас только один этаж, что является традиционным случаем, он не вместит много человек. Но с большим количеством этажей здание сможет вместить больше людей. Благодаря гетерогенной интеграции, над которой мы работаем с бумага на этой новой технологии.

Чо написал статью вместе с ведущим автором Джи-Хуном Парком, научным сотрудником Массачусетского технологического института. Авторы корреспонденции Цзин Конг, профессор электротехники и компьютерных наук (EECS) и член Исследовательской лаборатории электроники; Томас Паласиос, профессор EECS и директор Лаборатории технологий микросистем (MTL); А также другие в Массачусетском технологическом институте, Линкольнской лаборатории Массачусетского технологического института, Национальной лаборатории Ок-Риджа и Ericsson Research. Газета появится сегодня Нанотехнологии природы.

Тонкие материалы с огромным потенциалом

Двумерный материал, на котором сосредоточились исследователи, дисульфид молибдена, является гибким, прозрачным и обладает сильными электронными и фотонными свойствами, что делает его идеальным для полупроводникового транзистора. Он состоит из слоя одного атома молибдена, зажатого между двумя атомами сульфида.

Выращивание тонких пленок дисульфида молибдена на поверхности с хорошей однородностью часто достигается с помощью процесса, известного как Металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (МОЦВД). Гексакарбонил молибдена и диэтиленсера, два органических химических соединения, содержащие атомы молибдена и серы, испаряются и нагреваются внутри реакционной камеры, где они «разлагаются» на более мелкие частицы. Затем соединение происходит посредством химических реакций с образованием цепей дисульфида молибдена на поверхности.

Но для разложения соединений молибдена и серы, известных как прекурсоры, нужны температуры выше 550 градусов Цельсия, тогда как кремниевые цепи начинают разлагаться при температуре выше 400 градусов.

Итак, исследователи начали мыслить нестандартно — они спроектировали и построили совершенно новую печь для процесса химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений.

Печь состоит из двух камер: низкотемпературной в передней части, где размещается кремниевая пластина, и высокотемпературной в задней части. Испаренный молибден и прекурсор серы закачиваются в печь. Молибден остается в низкотемпературной области, где температура остается ниже 400 ° C — достаточно высокой, чтобы разложить молибден, но не настолько горячей, чтобы повредить кремниевую пластину.

Прекурсоры серы попадают в область высоких температур, где и разлагаются. Затем он перетекает обратно в область более низких температур, где происходит химическая реакция роста дисульфида молибдена на поверхности пластины.

«Вы можете думать о разложении, как о приготовлении черного перца: у вас есть целое зернышко перца, и вы перемалываете его в порошок. Итак, мы измельчаем перец и перемалываем его в высокотемпературной зоне, а затем порошок стекает обратно в более низкую температуру. температурная зона», — объясняет Чжоу.

Более быстрый рост и лучшая консолидация

Одна проблема с этим процессом заключается в том, что кремниевые схемы обычно имеют алюминий или медь в качестве верхнего слоя, так что чип можно прикрепить к корпусу или шине перед установкой на печатную плату. Но сера заставляет эти минералы сульфатироваться, точно так же, как некоторые минералы ржавеют под воздействием кислорода, разрушая их проводимость. Исследователи предотвратили сульфуризацию, сначала нанеся на чип очень тонкий слой пассивирующего материала. Затем после этого они могут открыть пассивирующий слой для соединения.

Они также поместили кремниевую пластину в низкотемпературную зону печи вертикально, а не горизонтально. При вертикальном размещении ни один из концов не находится слишком близко к области с высокой температурой, поэтому ни одна часть пластины не повреждается теплом. Кроме того, молекулы молибдена и сернистого газа вращались вокруг вертикальной пластины, а не текли по горизонтальной поверхности. Этот эффект циркуляции улучшает рост дисульфида молибдена и приводит к лучшей однородности материалов.

Помимо получения более однородного слоя, их метод также был намного быстрее, чем другие процессы MOCVD. Слой может вырасти менее чем за час, в то время как процесс выращивания MOCVD занимает как минимум целый день.

Использование новейших технологий Массачусетский институт нанотехнологий На объектах они смогли продемонстрировать высокое сцепление и качество материала на 8-дюймовой кремниевой пластине, что особенно важно для промышленных приложений, где требуются пластины большего размера.

«Благодаря сокращению времени роста этот процесс становится более эффективным и его легче интегрировать в промышленное производство. Кроме того, это низкотемпературный процесс, который совместим с кремнием и может быть полезен для дальнейшего продвижения двумерных материалов в производство. полупроводниковой промышленности», — говорит он.

В будущем исследователи хотят усовершенствовать свою технику и использовать ее для выращивания множества многоуровневых слоев 2D-транзисторов. Кроме того, они хотят изучить возможность использования низкотемпературного процесса выращивания гибких поверхностей, таких как полимеры, текстиль или даже бумага. Это может позволить интегрировать полупроводники в предметы повседневного обихода, такие как одежда или портативные компьютеры.

###

Эта работа частично финансируется Институтом солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института, Центром интегрированных квантовых материалов Национального научного фонда, Ericsson, MITRE, Исследовательским бюро армии США и Министерством энергетики США. Проект также получил поддержку TSMC University Shuttle.