I ricercatori del MIT e dell'Università del Colorado hanno fabbricato un transistor 3-D che è meno della metà delle dimensioni dei modelli commerciali più piccoli di oggi. Fare così, hanno sviluppato una nuova tecnica di microfabbricazione che modifica atomo per atomo il materiale semiconduttore.

L'ispirazione dietro il lavoro è stata quella di stare al passo con la legge di Moore, un'osservazione fatta negli anni '60 che il numero di transistor su un circuito integrato raddoppia circa ogni due anni. Per aderire a questa "regola d'oro" dell'elettronica, i ricercatori sono costantemente alla ricerca di modi per stipare il maggior numero possibile di transistor sui microchip. La tendenza più recente sono i transistor 3-D che stanno verticalmente, come pinne, e misurano circa 7 nanometri di diametro, decine di migliaia di volte più sottili di un capello umano. Decine di miliardi di questi transistor possono stare su un singolo microchip, che ha circa le dimensioni di un'unghia.

Come descritto in un documento presentato all'IEEE International Electron Devices Meeting di questa settimana, i ricercatori hanno modificato una tecnica di incisione chimica inventata di recente, chiamato attacco termico a livello atomico (termico ALE), per consentire la modifica di precisione dei materiali semiconduttori a livello atomico. Usando quella tecnica, i ricercatori hanno fabbricato transistor 3D stretti fino a 2,5 nanometri e più efficienti delle loro controparti commerciali.

Esistono oggi metodi di incisione a livello atomico simili, ma la nuova tecnica è più precisa e produce transistor di qualità superiore. Inoltre, ripropone un comune strumento di microfabbricazione utilizzato per depositare strati atomici sui materiali, il che significa che potrebbe essere rapidamente integrato. Ciò potrebbe consentire chip per computer con molti più transistor e prestazioni migliori, dicono i ricercatori.

"Crediamo che questo lavoro avrà un grande impatto nel mondo reale, " dice il primo autore Wenjie Lu, uno studente laureato nei Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT. "Mentre la legge di Moore continua a ridimensionare le dimensioni dei transistor, è più difficile produrre tali dispositivi su scala nanometrica. Per progettare transistor più piccoli, dobbiamo essere in grado di manipolare i materiali con una precisione a livello atomico".

Insieme a Lu sulla carta ci sono:Jesus A. del Alamo, un professore di ingegneria elettrica e informatica e un ricercatore MTL che guida l'Xtreme Transistors Group; neolaureata al MIT Lisa Kong '18; postdoc del MIT Alon Vardi; e Jessica Murdzek, Jonas Gertsch, e il professor Steven George dell'Università del Colorado.

Atomo per atomo

La microfabbricazione comporta la deposizione (film in crescita su un substrato) e l'incisione (modelli di incisione sulla superficie). Per formare transistor, la superficie del substrato viene esposta alla luce attraverso fotomaschere con la forma e la struttura del transistor. Tutto il materiale esposto alla luce può essere asportato con prodotti chimici, mentre rimane il materiale nascosto dietro la fotomaschera.

Le tecniche all'avanguardia per la microfabbricazione sono note come atomic layer deposition (ALD) e atomic layer etching (ALE). Nell'ALD, due sostanze chimiche vengono depositate sulla superficie del substrato e reagiscono tra loro in un reattore sotto vuoto per formare un film dello spessore desiderato, uno strato atomico alla volta.

Le tecniche ALE tradizionali utilizzano plasma con ioni altamente energetici che rimuovono i singoli atomi dalla superficie del materiale. Ma questi causano danni alla superficie. Questi metodi espongono anche il materiale all'aria, dove l'ossidazione provoca ulteriori difetti che ostacolano le prestazioni.

Nel 2016, il team dell'Università del Colorado ha inventato l'ALE termico, una tecnica che ricorda da vicino l'ALD e si basa su una reazione chimica chiamata "scambio di ligandi". In questo processo, uno ione in un composto chiamato ligando, che si lega agli atomi di metallo, viene sostituito da un ligando in un composto diverso. Quando le sostanze chimiche vengono eliminate, la reazione fa sì che i ligandi sostitutivi rimuovano i singoli atomi dalla superficie. Ancora nella sua infanzia, termica ALE ha, finora, usato solo per incidere gli ossidi.

In questo nuovo lavoro, i ricercatori hanno modificato l'ALE termico per lavorare su un materiale semiconduttore, utilizzando lo stesso reattore riservato ad ALD. Hanno usato un materiale semiconduttore in lega, chiamato indio gallio arseniuro (o InGaAs), che viene sempre più lodato come un più veloce, alternativa più efficiente al silicio.

I ricercatori hanno esposto il materiale all'acido fluoridrico, il composto utilizzato per l'originale lavoro termico ALE, che forma uno strato atomico di fluoruro metallico sulla superficie. Quindi, hanno versato in un composto organico chiamato cloruro di dimetilalluminio (DMAC). Il processo di scambio del ligando avviene sullo strato di fluoruro metallico. Quando il DMAC viene eliminato, seguono i singoli atomi.

La tecnica viene ripetuta per centinaia di cicli. In un reattore separato, i ricercatori hanno poi depositato il "cancello, " l'elemento metallico che comanda l'accensione o lo spegnimento dei transistor.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno rimosso solo 0,02 nanometri dalla superficie del materiale alla volta. "Stai sbucciando una cipolla, strato per strato, " dice Lu. "In ogni ciclo, possiamo asportare solo il 2% di un nanometro di materiale. Questo ci offre un'elevatissima precisione e un attento controllo del processo."

Poiché la tecnica è così simile all'ALD, "puoi integrare questa ALE termica nello stesso reattore dove lavori sulla deposizione, " dice del Alamo. Richiede solo una "piccola riprogettazione dello strumento di deposizione per gestire nuovi gas per eseguire la deposizione immediatamente dopo l'incisione. … è molto interessante per l'industria”.

Più sottile, migliori "pinne"

Usando la tecnica, i ricercatori hanno fabbricato FinFET, Transistor 3-D utilizzati in molti dei dispositivi elettronici commerciali odierni. I FinFET sono costituiti da una sottile "pinna" di silicio, in posizione verticale su un substrato. Il cancello è essenzialmente avvolto intorno alla pinna. A causa della loro forma verticale, ovunque da 7 a 30 miliardi di FinFET possono spremere su un chip. Da quest'anno, Mela, Qualcomm, e altre società tecnologiche hanno iniziato a utilizzare FinFET a 7 nanometri.

La maggior parte dei FinFET dei ricercatori misurava meno di 5 nanometri di larghezza, una soglia desiderata in tutto il settore, e circa 220 nanometri di altezza. Inoltre, la tecnica limita l'esposizione del materiale ai difetti causati dall'ossigeno che rendono i transistor meno efficienti.

Il dispositivo ha ottenuto prestazioni migliori del 60% circa rispetto ai tradizionali FinFET in "transconduttanza, " riferiscono i ricercatori. I transistor convertono un piccolo ingresso di tensione in una corrente erogata dal gate che accende o spegne il transistor per elaborare gli 1 (on) e gli 0 (off) che guidano il calcolo. La transconduttanza misura la quantità di energia necessaria per convertire quella tensione.

Limitare i difetti porta anche ad un maggiore contrasto on-off, dicono i ricercatori. Idealmente, vuoi un flusso di corrente elevato quando i transistor sono accesi, per gestire calcoli pesanti, e quasi nessuna corrente che scorre quando sono spenti, per risparmiare energia. "Quel contrasto è essenziale per realizzare interruttori logici efficienti e microprocessori molto efficienti, "dice del Alamo. "Finora, abbiamo il miglior rapporto [tra FinFET]."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.