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 квадратные трехмерные структуры, поэтому укладка нескольких слоев транзисторов для создания более плотной интеграции очень затруднительна.
Однако полупроводниковые транзисторы, изготовленные из сверхтонких 2D-материалов, каждый толщиной всего в три атома, можно было бы наложить друг на друга для создания более мощных чипов. С этой целью исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали новую технологию, которая может эффективно и действенно «выращивать» слои двумерных материалов на основе дихалькогенидов переходных металлов (TMD) непосредственно поверх полностью изготовленного кремниевого чипа, чтобы обеспечить более плотную интеграцию.
Выращивание 2D-материалов непосредственно на кремниевой CMOS-пластине представляет собой серьезную проблему, поскольку для этого процесса обычно требуется температура около 600 градусов по Цельсию, а кремниевые транзисторы и схемы могут выйти из строя при нагревании выше 400 градусов. Теперь междисциплинарная группа исследователей Массачусетского технологического института разработала низкотемпературный процесс выращивания, который не повреждает чип. Эта технология позволяет напрямую интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы поверх стандартных кремниевых схем.
В прошлом исследователи выращивали 2D-материалы в другом месте, а затем переносили их на чип или пластину. Это часто приводит к дефектам, которые ухудшают работу конечных устройств и схем. Кроме того, плавное перемещение материала становится чрезвычайно затруднительным в масштабе пластины. Напротив, этот новый процесс позволяет выращивать гладкий, очень однородный слой по всей 8-дюймовой пластине.
Новая технология также способна значительно сократить время, необходимое для выращивания этих материалов. В то время как предыдущие подходы требовали более дня для выращивания одного слоя 2D-материалов, новый подход позволяет выращивать однородный слой материала TMD менее чем за час на целых 8-дюймовых пластинах.
Благодаря высокой скорости и высокой однородности новая технология позволила исследователям успешно интегрировать 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 пластины размером 8 дюймов или больше.
«Использование 2D-материалов — это мощный способ увеличить плотность интегральной схемы. То, что мы делаем, похоже на строительство многоэтажного дома. Если у вас только один этаж, что является обычным случаем, он не вместит много людей. Но с большим количеством этажей здание будет вмещать больше людей, что позволит создавать удивительные новые вещи. Благодаря гетерогенной интеграции, над которой мы работаем, у нас есть кремний в качестве первого этажа, а затем мы можем иметь много этажей из 2D-материалов, непосредственно интегрированных сверху», — говорит Цзяди Чжу, аспирант по электротехнике и компьютерным наукам и соавтор. статьи об этой новой технике.
Чжу написал статью вместе с соавтором Джи-Хуном Парком, постдоком Массачусетского технологического института; авторы-корреспонденты Цзин Конг, профессор электротехники и информатики (EECS) и член Исследовательской лаборатории электроники; и 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 выходит сегодня в Природа Нанотехнологии.
Тонкие материалы с огромным потенциалом
Двумерный материал, на котором сосредоточились исследователи, дисульфид молибдена, является гибким, прозрачным и демонстрирует мощные электронные и фотонные свойства, которые делают его идеальным для полупроводникового транзистора. Он состоит из одноатомного слоя 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 паровой фазы (MOCVD). Гексакарбонил молибдена и диэтиленсера, два органических химических соединения, которые содержат атомы молибдена и серы, испаряются и нагреваются внутри реакционной камеры, где они «разлагаются» на более мелкие молекулы. Затем они соединяются посредством химических реакций, образуя цепочки дисульфида молибдена на поверхности.
Но для разложения этих соединений молибдена и серы, известных как прекурсоры, требуется температура выше 550 градусов по Цельсию, в то время как кремниевые схемы начинают разлагаться, когда температура превышает 400 градусов.
Итак, исследователи начали с нестандартного мышления — 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 прекурсоры серы закачиваются в печь. Молибден остается в низкотемпературной области, где температура поддерживается ниже 400 градусов по Цельсию — достаточно высокая, чтобы разложить предшественник молибдена, но не настолько высокая, чтобы повредить кремниевый чип.
Прекурсор серы протекает в высокотемпературную область, где он разлагается. Затем он стекает обратно в низкотемпературную область, где происходит химическая реакция роста дисульфида молибдена на поверхности пластины.
«Вы можете думать о разложении, как о приготовлении черного перца — у вас есть целая горошинка перца, и вы перемалываете ее в порошок. Итак, мы раздавливаем и измельчаем перец в высокотемпературной области, затем порошок возвращается в низкотемпературную область», — объясняет Чжу.
Более быстрый рост и лучшая однородность
Одна из проблем с этим процессом заключается в том, что кремниевые схемы обычно имеют алюминий или медь в качестве верхнего слоя, поэтому чип может быть подключен к корпусу или носителю до того, как он будет установлен на печатной плате. Но сера вызывает осернение этих металлов, точно так же, как некоторые металлы ржавеют под воздействием кислорода, который разрушает их проводимость. Исследователи предотвратили сульфуризацию, сначала нанеся очень тонкий слой пассивирующего материала поверх чипа. Затем позже они могли открыть пассивирующий слой, чтобы установить соединения.
Они также поместили кремниевую пластину в низкотемпературную область печи вертикально, а не горизонтально. При вертикальном размещении ни один из концов не находится слишком близко к высокотемпературной области, поэтому ни одна часть пластины не повреждается теплом. Кроме того, молекулы молибдена и сернистого газа закручиваются, ударяясь о вертикальную стружку, а не текут по горизонтальной поверхности. Этот эффект циркуляции улучшает рост дисульфида молибдена и приводит к лучшей однородности материала.
Помимо получения более однородного слоя, их метод также был намного быстрее, чем другие процессы MOCVD. Они могли вырастить слой менее чем за час, в то время как обычно процесс роста MOCVD занимает как минимум целый день.
Используя современное оборудование GPTMain.Nano, они смогли продемонстрировать высокую однородность и качество материала на 8-дюймовой кремниевой пластине, что особенно важно для промышленных приложений, где требуются пластины большего размера.
«Благодаря сокращению времени выращивания процесс становится намного более эффективным и его легче интегрировать в промышленное производство. Кроме того, это совместимый с кремнием низкотемпературный процесс, который может быть полезен для продвижения 2D-материалов в полупроводниковую промышленность», — говорит Чжу.
В будущем исследователи хотят отладить свою технику и использовать ее для выращивания множества многоуровневых слоев 2D-транзисторов. Кроме того, они хотят изучить возможность использования процесса низкотемпературного роста для гибких поверхностей, таких как полимеры, текстиль или даже бумага. Это может позволить интегрировать полупроводники в предметы повседневного обихода, такие как одежда или ноутбуки.
«Эта работа позволила добиться значительного прогресса в технологии синтеза монослойного материала дисульфида молибдена», — говорит Хан Ван, заведующий кафедрой ранней карьеры Роберта Г. и Мэри Г. Лейн и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, химической инженерии и материаловедения в Университет Южной Калифорнии, который не участвовал в этом исследовании. «Новая возможность низкого теплового баланса в масштабе 8 дюймов позволяет интегрировать этот материал с кремниевой КМОП-технологией и прокладывает путь для его будущего применения в электронике».
Эта работа частично финансируется Институтом солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института, Центром интегрированных квантовых материалов Национального научного фонда, Ericsson, GPTMainRE, Исследовательским бюро армии США и Министерством энергетики США. Проект также получил поддержку TSMC University Shuttle.