Революция в вычислениях: Взлет атомарно-масштабных полупроводниковых чипов

Информационный век, созданный за почти 60 лет, подарил миру интернет, смартфоны и молниеносные компьютеры. Это стало возможным благодаря удвоению количества транзисторов, которые можно разместить на компьютерном чипе примерно каждые два года, что привело к миллиардам атомарно-масштабных транзисторов, теперь помещающимся на чипе размером с ноготь. Такие «атомарные масштабы» настолько малы, что отдельные атомы можно видеть и считать в них.

С этим удвоением теперь быстро приближающимся к физическому пределу, Лаборатория плазменной физики Принстона (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) присоединилась к отраслевым усилиям по расширению процесса и разработке новых способов производства еще более способных, эффективных и экономичных чипов. Ученые лаборатории теперь точно предсказали через моделирование ключевой шаг в атомарно-масштабной фабрикации чипов в первом исследовании PPPL по Соглашению о совместных исследованиях и разработках (CRADA) с Lam Research Corp., мировым поставщиком оборудования для производства чипов.

«Это был бы один маленький кусочек во всем процессе», — сказал профессор Дэвид Грейвс, ассоциированный директор лаборатории по взаимодействию низкотемпературной плазмы с поверхностями и соавтор статьи, описывающей результаты в Journal of Vacuum Science & Technology B. Инсайты, полученные через моделирование, сказал он, «могут привести ко всем видам хороших вещей, и именно поэтому эта работа в Лаборатории имеет некоторое обещание».

Хотя сокращение не может продолжаться еще долго, «оно еще не полностью достигло конца», — сказал он. «Отрасль до сих пор успешно использовала в основном эмпирические методы для разработки инновационных новых процессов, но более глубокое фундаментальное понимание ускорит этот процесс. Фундаментальные исследования требуют времени и экспертизы, которых у отрасли не всегда есть», — сказал он. «Это создает сильный стимул для лабораторий взять на себя эту работу».

Ученые PPPL смоделировали то, что называется «атомарным слоем этражирования» (ALE — Atomic Layer Etching), все более критическим шагом фабрикации, цель которого — удалять одиночные атомные слои с поверхности по одному за раз. Этот процесс может использоваться для этражирования сложных трехмерных структур с критическими размерами, тысячами раз тоньше человеческого волоса, в пленке на кремниевой подложке.

«Симуляции в основном согласовывались с экспериментами как первый шаг и могут привести к улучшенному пониманию использования ALE для атомарно-масштабного этражирования», — сказал Джозеф Велла, постдокторант PPPL и главный автор статьи в журнале. Улучшенное понимание позволит PPPL исследовать такие вещи, как степень повреждения поверхности и степень шероховатости, развивающаяся во время ALE, сказал он, «и всё это начинается с построения нашего фундаментального понимания атомарного слоя этражирования».

Модель смоделировала последовательное использование хлорного газа и ионов аргоновой плазмы для контроля процесса этражирования кремния на атомарном масштабе. Плазма — ионизированный газ — это смесь, состоящая из свободных электронов, положительно заряженных ионов и нейтральных молекул. Плазма, используемая в обработке полупроводниковых устройств, близка к комнатной температуре, в отличие от ультрагорячей плазмы, используемой в термоядерных экспериментах.

«Неожиданное эмпирическое открытие от Lam Research заключалось в том, что процесс ALE становился особенно эффективным, когда ионные энергии были значительно выше тех, с которыми мы начали», — сказал Грейвс. «Так что это будет наш следующий шаг в симуляциях — увидеть, можем ли мы понять, что происходит, когда ионная энергия намного выше и почему это так хорошо».

Двигаясь вперед, «полупроводниковая отрасль в целом рассматривает крупное расширение в материалах и типах устройств для использования, и это расширение также будет должно обрабатываться с атомарной точностью», — сказал он. «Цель США — вести мир в использовании науки для решения важных промышленных проблем», — сказал он, «и наша работа является частью этого».