MIT-Ingenieure „züchten“ atomar dünne Transistoren auf Computerchips

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Neue KI-Anwendungen wie Chatbots, die natürliche menschliche Sprache generieren, erfordern dichtere, leistungsfähigere Computerchips. Aber Halbleiterchips werden traditionell aus Massenmaterialien hergestellt, bei denen es sich um kastenförmige 3D-Strukturen handelt, sodass es sehr schwierig ist, mehrere Schichten von Transistoren zu stapeln, um dichtere Integrationen zu schaffen.

Allerdings könnten Halbleitertransistoren aus ultradünnen 2D-Materialien, die jeweils nur etwa drei Atome dick sind, gestapelt werden, um leistungsstärkere Chips zu erzeugen. Zu diesem Zweck haben MIT-Forscher nun eine neuartige Technologie demonstriert, mit der Schichten aus 2D-Übergangsmetalldichalkogenid (TMD)-Materialien direkt auf einem vollständig hergestellten Siliziumchip effektiv und effizient „wachsen“ können, um dichtere Integrationen zu ermöglichen.

Das direkte Aufwachsen von 2D-Materialien auf einem Silizium-CMOS-Wafer stellt eine große Herausforderung dar, da der Prozess normalerweise Temperaturen von etwa 600 Grad Celsius erfordert, während Siliziumtransistoren und -schaltkreise bei einer Erwärmung über 400 Grad kaputt gehen könnten. Nun hat das interdisziplinäre Forscherteam des MIT einen Niedertemperatur-Wachstumsprozess entwickelt, der den Chip nicht beschädigt. Die Technologie ermöglicht die direkte Integration von 2D-Halbleitertransistoren auf Standard-Siliziumschaltungen.

In der Vergangenheit haben Forscher 2D-Materialien anderswo gezüchtet und sie dann auf einen Chip oder einen Wafer übertragen. Dies führt häufig zu Unvollkommenheiten, die die Leistung der Endgeräte und Schaltkreise beeinträchtigen. Außerdem wird die reibungslose Übertragung des Materials im Wafermaßstab äußerst schwierig. Im Gegensatz dazu lässt dieser neue Prozess eine glatte, äußerst gleichmäßige Schicht über einen gesamten 8-Zoll-Wafer wachsen.

Die neue Technologie ist auch in der Lage, die Zeit, die für das Wachstum dieser Materialien benötigt wird, deutlich zu verkürzen. Während frühere Ansätze mehr als einen Tag benötigten, um eine einzelne Schicht aus 2D-Materialien wachsen zu lassen, kann der neue Ansatz eine gleichmäßige Schicht aus TMD-Material in weniger als einer Stunde über ganze 8-Zoll-Wafer wachsen lassen.

Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und hohen Gleichmäßigkeit ermöglichte die neue Technologie den Forschern, eine 2D-Materialschicht erfolgreich auf viel größeren Oberflächen zu integrieren, als bisher gezeigt wurde. Dadurch eignet sich ihre Methode besser für den Einsatz in kommerziellen Anwendungen, bei denen es auf Wafer mit einer Größe von 8 Zoll oder mehr ankommt.

„Die Verwendung von 2D-Materialien ist eine leistungsstarke Möglichkeit, die Dichte eines integrierten Schaltkreises zu erhöhen. Was wir tun, ist wie der Bau eines mehrstöckigen Gebäudes. Wenn Sie nur ein Stockwerk haben, was der herkömmliche Fall ist, können nicht viele Menschen darin Platz finden. Aber „Mit mehr Stockwerken wird das Gebäude mehr Menschen beherbergen, die erstaunliche neue Dinge ermöglichen können. Dank der heterogenen Integration, an der wir arbeiten, haben wir Silizium als erstes Stockwerk und dann können wir viele Stockwerke aus 2D-Materialien direkt darüber integrieren.“ sagt Jiadi Zhu, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik und Co-Hauptautor einer Arbeit über diese neue Technik.

Zhu schrieb das Papier zusammen mit dem Co-Hauptautor Ji-Hoon Park, einem MIT-Postdoc; korrespondierende Autoren Jing Kong, Professorin für Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Mitglied des Forschungslabors für Elektronik; und Tomás Palacios, Professor für EECS und Direktor der Microsystems Technology Laboratories (MTL); sowie andere am MIT, MIT Lincoln Laboratory, Oak Ridge National Laboratory und Ericsson Research. Der Artikel erscheint heute in Nature Nanotechnology.

Schlanke Materialien mit großem Potenzial

Das 2D-Material, auf das sich die Forscher konzentrierten, Molybdändisulfid, ist flexibel, transparent und weist starke elektronische und photonische Eigenschaften auf, die es ideal für einen Halbleitertransistor machen. Es besteht aus einer einatomigen Molybdänschicht, die zwischen zwei Sulfidatomen liegt.

Das Aufwachsen dünner Molybdändisulfidfilme auf einer Oberfläche mit guter Gleichmäßigkeit wird oft durch einen Prozess erreicht, der als metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) bekannt ist. Molybdänhexacarbonyl und Diethylenschwefel, zwei organische chemische Verbindungen, die Molybdän- und Schwefelatome enthalten, verdampfen und werden in der Reaktionskammer erhitzt, wo sie in kleinere Moleküle „zerfallen“. Anschließend verbinden sie sich durch chemische Reaktionen und bilden auf einer Oberfläche Ketten aus Molybdändisulfid.

Für die Zersetzung dieser Molybdän- und Schwefelverbindungen, die als Vorläufer bezeichnet werden, sind jedoch Temperaturen über 550 Grad Celsius erforderlich, während Siliziumkreisläufe bei Temperaturen über 400 Grad zu zerfallen beginnen.

Also begannen die Forscher damit, über den Tellerrand zu schauen – sie entwarfen und bauten einen völlig neuen Ofen für den metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess.

Der Ofen besteht aus zwei Kammern, einem Niedertemperaturbereich vorne, in dem der Siliziumwafer platziert wird, und einem Hochtemperaturbereich hinten. Verdampfte Molybdän- und Schwefelvorläufer werden in den Ofen gepumpt. Das Molybdän verbleibt im Niedertemperaturbereich, wo die Temperatur unter 400 Grad Celsius gehalten wird – heiß genug, um den Molybdän-Vorläufer zu zersetzen, aber nicht so heiß, dass es den Siliziumchip beschädigt.

Der Schwefelvorläufer strömt in den Hochtemperaturbereich und zersetzt sich dort. Anschließend fließt es zurück in den Niedertemperaturbereich, wo die chemische Reaktion zum Wachstum von Molybdändisulfid auf der Oberfläche des Wafers stattfindet.

„Man kann sich Zersetzung wie die Herstellung von schwarzem Pfeffer vorstellen – man hat ein ganzes Pfefferkorn und mahlt es zu Pulver. Also zerschlagen und mahlen wir den Pfeffer im Hochtemperaturbereich, dann fließt das Pulver zurück in den Niedertemperaturbereich.“ Region", erklärt Zhu.

Schnelleres Wachstum und bessere Gleichmäßigkeit

Ein Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass Siliziumschaltkreise typischerweise Aluminium oder Kupfer als oberste Schicht haben, sodass der Chip mit einem Gehäuse oder Träger verbunden werden kann, bevor er auf einer Leiterplatte montiert wird. Aber Schwefel führt dazu, dass diese Metalle schwefeln, genauso wie manche Metalle rosten, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden, was ihre Leitfähigkeit zerstört. Die Forscher verhinderten die Schwefelung, indem sie zunächst eine sehr dünne Schicht Passivierungsmaterial auf den Chip aufbrachten. Später könnten sie die Passivierungsschicht öffnen, um Verbindungen herzustellen.

Außerdem platzierten sie den Siliziumwafer vertikal und nicht horizontal im Niedertemperaturbereich des Ofens. Durch die vertikale Platzierung liegt kein Ende zu nah am Hochtemperaturbereich, sodass kein Teil des Wafers durch die Hitze beschädigt wird. Außerdem wirbeln die Molybdän- und Schwefelgasmoleküle herum, wenn sie auf den vertikalen Chip treffen, anstatt über eine horizontale Oberfläche zu fließen. Dieser Zirkulationseffekt verbessert das Wachstum von Molybdändisulfid und führt zu einer besseren Materialgleichmäßigkeit.

Ihre Methode lieferte nicht nur eine gleichmäßigere Schicht, sondern war auch viel schneller als andere MOCVD-Prozesse. Sie könnten eine Schicht in weniger als einer Stunde wachsen lassen, während der MOCVD-Wachstumsprozess normalerweise mindestens einen ganzen Tag dauert.

Mithilfe der hochmodernen MIT.Nano-Anlagen konnten sie eine hohe Materialgleichmäßigkeit und -qualität auf einem 8-Zoll-Siliziumwafer nachweisen, was besonders wichtig für industrielle Anwendungen ist, bei denen größere Wafer benötigt werden.

„Durch die Verkürzung der Wachstumszeit ist der Prozess viel effizienter und könnte leichter in industrielle Fertigungen integriert werden. Außerdem handelt es sich um einen mit Silizium kompatiblen Niedertemperaturprozess, der nützlich sein kann, um 2D-Materialien weiter in die Halbleiterindustrie zu drängen.“ " sagt Zhu.

In Zukunft wollen die Forscher ihre Technik verfeinern und damit viele gestapelte Schichten von 2D-Transistoren wachsen lassen. Darüber hinaus wollen sie die Nutzung des Niedertemperatur-Wachstumsprozesses für flexible Oberflächen wie Polymere, Textilien oder sogar Papiere erforschen. Dies könnte die Integration von Halbleitern in Alltagsgegenstände wie Kleidung oder Notizbücher ermöglichen.

„Diese Arbeit hat einen wichtigen Fortschritt in der Synthesetechnologie von einschichtigem Molybdändisulfid-Material erzielt“, sagt Han Wang, Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career Chair und außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der Universität der University of Southern California, die nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Die neue Fähigkeit eines Wachstums mit geringem thermischen Budget im 8-Zoll-Maßstab ermöglicht die Back-End-of-Line-Integration dieses Materials mit der Silizium-CMOS-Technologie und ebnet den Weg für seine zukünftige elektronische Anwendung.“

Diese Arbeit wird teilweise vom MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, dem National Science Foundation Center for Integrated Quantum Materials, Ericsson, MITRE, dem US Army Research Office und dem US Department of Energy finanziert. Das Projekt profitierte auch von der Unterstützung des TSMC University Shuttle.

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