Инженеры создают транзисторы атомарного уровня прямо на поверхности чипов

Двумерные (2D) материалы являются многообещающими кандидатами для будущей электроники. Хотя уже сообщалось об многообещающих результатах синтеза однослойного дисульфида молибдена (MoS2) на пластинах. Высококачественный синтез 2D-материалов на пластинах размером 200 мм и более, которые обычно используются в коммерческих кремниевых литейных производствах, остается трудным.

Чтобы достичь этого, ученые из Массачусетского технологического института недавно разработали передовую методику успешного и быстрого «выращивания» слоев двумерных материалов на основе дихалькогенидов переходных металлов непосредственно на полностью изготовленных кремниевых чипах, что обеспечивает более надежную интеграцию.

Также были разработаны низкотемпературные процессы роста, которые предотвращают повреждение чипа и позволяют интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы непосредственно в стандартные кремниевые схемы.

По словам ученых, новая технология позволяет сократить время, необходимое для выращивания этих материалов. Технология позволяет вырастить однородный слой материала TMD на кремниевой 8-дюймовой пластине менее чем за час.

❓Полупроводниковая пластина(кремниевая пластина)— полуфабрикат, используемый в процессе производства полупроводниковых приборов, микросхем и солнечных батарей.

Благодаря высокой скорости и однородности этой технологии теперь можно выращивать слои двумерных материалов на гораздо больших поверхностях, чем это было возможно ранее. Это делает технологию пригодной для коммерческих применений, требующих пластин размером 8 дюймов и более.

Цзяди Чжу, аспирант по электротехнике и компьютерным наукам, сказал: «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».

❓Аспирант Цзяди Чжу держит 8-дюймовую пластину CMOS с тонкой пленкой дисульфида молибдена. Справа показана печь, разработанная исследователями, которая позволила им «вырастить» слой дисульфида молибдена на пластину с помощью низкотемпературного процесса, который не повредил пластину.

Основное внимание в этой работе было уделено дисульфиду молибдена. Этот гибкий, прозрачный материал обладает сильными электронными и фотонными свойствами, что делает его идеальным для полупроводников. Дисульфид молибдена состоит из одноатомного слоя молибдена, зажатого между двумя атомами сульфида.

В процессе парофазного химического осаждения два органических соединения, содержащие атомы молибдена и серы — гексакарбонил молибдена и диэтиленсульфид — распадаются на более мелкие молекулы путем испарения и нагревания в реакционной камере. В результате химических реакций они затем соединяются, образуя на поверхности цепочки дисульфида молибдена. Однако для разложения этих соединений требуется температура до 550°C. Это представляет собой проблему, поскольку кремниевые цепи начинают разрушаться при температуре выше 400°C. Чтобы решить эту проблему, ученые разработали и построили совершенно новую печь для химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы, которая могла бы выдерживать такие высокие температуры. Печь имеет два отделения: низкотемпературную переднюю зону, куда помещаются кремниевые пластины, и высокотемпературную заднюю зону. В печь подаются прекурсоры, содержащие испаренные молибден и серу. В низкотемпературной зоне, где остается молибден, температура контролируется ниже 400°C. Эта температура достаточна для разрушения молибденового прекурсора, но недостаточно высока, чтобы повредить кремниевый чип. Химическая реакция в высокотемпературной зоне приводит к образованию дисульфида молибдена на поверхности пластины, поскольку прекурсор серы проходит через него и разрушается. Затем дисульфид молибдена стекает обратно в низкотемпературную зону. Однако при использовании этого метода возникает проблема, кремниевые схемы часто имеют поверхностный слой алюминия или меди, который под воздействием серы может сульфироваться, что снижает их проводимость… Чтобы предотвратить сульфатацию, ученые сначала нанесли на поверхность микросхемы очень тонкий слой пассивирующего материала. Затем этот пассивирующий слой может быть открыт для облегчения соединений. В низкотемпературной зоне печи кремниевые пластины размещаются вертикально, а не горизонтально. При вертикальном расположении концы пластин не находятся слишком близко к горячей зоне, и концы пластин не повреждаются теплом. Кроме того, молекулы молибдена и сернистого газа не текут по горизонтальной поверхности, а циркулируют, сталкиваясь с вертикальными концами. Это циркуляционное движение способствует росту дисульфида молибдена, а также повышает однородность материала.

Их метод не только позволил получить более однородный слой, но и минимизировал время выращивания по сравнению с другими процессами MOCVD. Они выполнили выращивание слоя менее чем за час, что значительно короче, чем стандартный процесс MOCVD, требующий как минимум целый день.

❓MOCVD-это химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений. Процесс химического осаждения из паровой фазы, при котором используются металлоорганические соединения, термически разлагающиеся при температурах более низких, чем другие металлосодержащие соединения; метод часто используется при эпитаксиальном выращивании очень тонких пленок полупроводников.

Инженеры MIT продемонстрировали высокую однородность материала и качество всей 8-дюймовой кремниевой пластины с использованием передового оборудования.

Цзяди Чжу сказал: «Благодаря сокращению времени выращивания процесс становится намного более эффективным и его легче интегрировать в промышленное производство. Это совместимый с кремнием низкотемпературный процесс, который может быть полезен для продвижения 2D-материалов в полупроводниковую промышленность».