Полупроводниковые микросхемы атомарного масштаба — раздвигая границы

Информационная эра, созданная за почти 60 лет, подарила миру Интернет, смартфоны и молниеносные компьютеры. Это стало возможным благодаря удвоению числа транзисторов, которые можно разместить на компьютерном чипе примерно каждые два года, что привело к появлению миллиардов транзисторов атомного масштаба, которые теперь помещаются на чипе размером с ноготь. Такие длины «атомного масштаба» настолько малы, что в них можно увидеть и сосчитать отдельные атомы.

Поскольку это удвоение быстро приближается к физическому пределу, Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) объединила усилия отрасли, чтобы расширить процесс и разработать новые способы производства еще более функциональных, эффективных и экономичных чипсы. Лабораторные ученые с помощью моделирования точно предсказали ключевой шаг в производстве чипов атомного масштаба в первом исследовании PPPL в рамках Соглашения о совместных исследованиях и разработках (CRADA) с Lam Research Corp., мировым поставщиком оборудования для производства чипов. .

«Это будет небольшая часть всего процесса», — сказал профессор Дэвид Грейвс, заместитель директора лаборатории низкотемпературных плазменных взаимодействий с поверхностью и соавтор статьи, в которой излагаются выводы, опубликованные в журнале Journal of Vacuum Science &Technology. Б . По его словам, информация, полученная в результате моделирования, «может привести ко многим полезным вещам, и поэтому эта работа в лаборатории имеет определенные перспективы».

Хотя сокращение не может продолжаться долго, «оно еще не полностью завершилось», — сказал он. «На сегодняшний день промышленность успешно использует в основном эмпирические методы для разработки новых инновационных процессов, но более глубокое фундаментальное понимание ускорит этот процесс. Фундаментальные исследования требуют времени и опыта, который не всегда есть в отрасли», — сказал он. «Это создает сильный стимул для лабораторий браться за работу».

Ученые PPPL смоделировали то, что называется «травлением атомных слоев» (ALE), все более важным этапом производства, целью которого является удаление отдельных атомных слоев с поверхности по одному за раз. Этот процесс можно использовать для вытравливания сложных трехмерных структур с критическими размерами, которые в тысячи раз тоньше человеческого волоса, в пленку на кремниевой пластине.

«Моделирование в основном согласуется с экспериментами в качестве первого шага и может привести к лучшему пониманию использования ALE для травления атомного масштаба», — сказал Джозеф Велла, научный сотрудник PPPL и ведущий автор статьи в журнале. Улучшение понимания позволит PPPL исследовать такие вещи, как степень повреждения поверхности и степень шероховатости, возникшей во время ALE, сказал он, «и все это начинается с нашего фундаментального понимания травления атомного слоя».

Модель имитировала последовательное использование газообразного хлора и ионов аргоновой плазмы для управления процессом травления кремния в атомарном масштабе. Плазма — ионизированный газ — представляет собой смесь свободных электронов, положительно заряженных ионов и нейтральных молекул. Плазма, используемая при обработке полупроводниковых устройств, имеет температуру, близкую к комнатной, в отличие от сверхгорячей плазмы, используемой в экспериментах по термоядерному синтезу.

«Неожиданным эмпирическим открытием Lam Research стало то, что процесс ALE стал особенно эффективным, когда энергия ионов была немного выше, чем та, с которой мы начали», — сказал Грейвс. «Итак, это будет наш следующий шаг в моделировании — посмотреть, сможем ли мы понять, что происходит, когда энергия ионов намного выше, и почему это так хорошо».

В дальнейшем «полупроводниковая промышленность в целом рассматривает возможность значительного расширения материалов и типов устройств, которые будут использоваться, и это расширение также должно быть обработано с точностью до атома», — сказал он. «Цель США — возглавить мир в использовании науки для решения важных промышленных проблем, — сказал он, — и наша работа является частью этого».