Materialforschung für Halbleiterinnovationen Aus dem Mooreschen Gesetz lässt sich noch mehr machen

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Das Mooresche Gesetz, ein grundlegendes Skalierungsprinzip für elektronische Chips, sagt voraus, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppelt und damit für mehr Rechenleistung sorgt - doch es gibt da bis jetzt eine Grenze.

Die modernsten Chips von heute enthalten fast 50 Milliarden Transistoren auf einer Fläche, die nicht größer ist als ein Daumennagel. Die Aufgabe, noch mehr Transistoren auf dieser begrenzten Fläche unterzubringen, wird immer schwieriger, wie Forscher der Penn State University herausgefunden haben.

In einer in „Nature“ veröffentlichten Studie schlagen Saptarshi Das, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Mitautor der Studie, und sein Team eine sehr interessante Lösung vor: die nahtlose Umsetzung der 3D-Integration mit 2D-Materialien.

In der Welt der Halbleiter bedeutet 3D-Integration das vertikale Stapeln mehrerer Schichten von Halbleiterbauelementen. Dieser Ansatz erleichtert nicht nur das Packen von mehr Transistoren auf Siliziumbasis auf einen Computerchip, was gemeinhin als „More Moore“ bezeichnet wird, sondern ermöglicht auch die Verwendung von Transistoren aus 2D-Materialien, um verschiedene Funktionen in verschiedene Schichten des Stapels einzubauen, ein Konzept, das als „More than Moore“ bekannt ist.

Mit der in der Studie beschriebenen Arbeit zeigen Saptarshi und das Team machbare Wege auf, die über die Skalierung der aktuellen Technologie hinausgehen, um sowohl „More Moore“ als auch „More than Moore“ durch monolithische 3D-Integration zu erreichen.

Monolithische 3D-Integration als Chance

Bei der monolithischen 3D-Integration handelt es sich um ein Herstellungsverfahren, bei dem die Forscher die Bauelemente direkt auf der darunter liegenden Ebene herstellen, im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren, bei dem unabhängig voneinander hergestellte Schichten gestapelt werden.

„Die monolithische 3D-Integration bietet die höchste Dichte an vertikalen Verbindungen, da sie sich nicht auf die Verbindung zweier vorstrukturierter Chips stützt - was Mikrobumps erfordern würde, bei denen zwei Chips miteinander verbunden werden, sodass mehr Platz für die Herstellung von Verbindungen zur Verfügung steht“, sagte Najam Sakib, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Mitautor der Studie.

Die monolithische 3D-Integration birgt laut Darsith Jayachandran, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Ingenieurwissenschaften, jedoch erhebliche Herausforderungen, da herkömmliche Siliziumkomponenten bei den Verarbeitungstemperaturen schmelzen würden. „Eine Herausforderung ist die Obergrenze der Prozesstemperatur von 450 °C für die Back-End-Integration von Silizium-basierten Chips - unser monolithischer 3D-Integrationsansatz senkt diese Temperatur deutlich auf weniger als 200 °C“, sagte Jayachandran und erklärte, dass die Obergrenze der Prozesstemperatur die maximal zulässige Temperatur ist, bevor die vorgefertigten Strukturen beschädigt werden. „Inkompatible Prozesstemperaturbudgets machen die monolithische 3D-Integration mit Siliziumchips zu einer Herausforderung, aber 2D-Materialien können den für den Prozess erforderlichen Temperaturen standhalten.“

Die Forscher nutzten bestehende Techniken für ihren Ansatz, aber sie sind die ersten, die erfolgreich eine monolithische 3D-Integration in diesem Maßstab mit 2D-Transistoren aus 2D-Halbleitern, den sogenannten Übergangsmetall-Dichalcogeniden, erreichen. Die Bauelemente bei der 3D-Integration vertikal zu stapeln, ermöglichte auch eine energieeffizientere Datenverarbeitung, da sie ein überraschendes Problem für so winzige Dinge wie Transistoren auf einem Computerchip löste: den Abstand.

„Durch das vertikale Übereinanderstapeln von Bauelementen verringert sich der Abstand zwischen den Bauelementen und damit auch die Verzögerung und der Stromverbrauch“, so Rahul Pendurthi, ebenfalls Mitautor der Studie.

More Moore und More than Moore

Indem sie den Abstand zwischen den Bauelementen verringerten, erreichten die Forscher „More Moore“. Durch den Einbau von Transistoren aus 2D-Materialien erfüllten die Forscher auch das „More than Moore“-Kriterium. Die 2D-Materialien sind für ihre einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften bekannt, einschließlich der Lichtempfindlichkeit, wodurch sie sich ideal auch als Sensoren eignen.

Dies sei nützlich, so die Forscher, da die Zahl der vernetzten Geräte und „Edge“-Systeme, also Dinge wie Smartphones oder drahtlose Wetterstationen, die Daten am „Rand“ eines Netzwerks sammeln, weiter zunehmen. „More Than Moore bezieht sich auf ein Konzept in der Welt der Technik, bei dem wir Computerchips nicht nur kleiner und schneller machen, sondern auch mit mehr Funktionen ausstatten“, sagte Muhtasim Ul Karim Sadaf, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter. „Es geht darum, unsere elektronischen Geräte mit neuen und nützlichen Funktionen auszustatten, so zum Beispiel mit besseren Sensoren, verbessertem Batteriemanagement oder anderen Spezialfunktionen, um unsere Geräte intelligenter und vielseitiger zu machen.“

Die Verwendung von 2D-Bauteilen für die 3D-Integration hat den Forschern zufolge zahlreiche weitere Vorteile. Einer davon ist die höhere Mobilität der Ladungsträger, das heißt die Art und Weise, wie eine elektrische Ladung in Halbleitermaterialien transportiert wird. Ein weiterer Vorteil ist die ultradünne Bauweise, die es den Forschern ermöglicht, mehr Transistoren auf jeder Ebene der 3D-Integration unterzubringen und eine höhere Rechenleistung zu erzielen.

Während die meisten akademischen Forschungsarbeiten mit kleinen Prototypen durchgeführt werden, wurde in dieser Studie die 3D-Integration in großem Maßstab demonstriert, indem Zehntausende von Bauteilen charakterisiert wurden. Laut Das überbrückt diese Leistung die Kluft zwischen Wissenschaft und Industrie und könnte zu künftigen Partnerschaften führen, bei denen die Industrie die 2D-Materialien und Einrichtungen der Penn State University nutzt.

Der Fortschritt bei der Skalierung wurde durch die Verfügbarkeit hochwertiger Übergangsmetalldichalcogenide im Wafer-Maßstab ermöglicht, die von Forschern des Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC-MIP) der Penn State entwickelt wurden, einer Materialinnovationsplattform der U.S. National Science Foundation (NSF).

Fortschritt durch Materialforschung

„Dieser Durchbruch zeigt einmal mehr die wesentliche Rolle der Materialforschung als Grundlage der Halbleiterindustrie und der Wettbewerbsfähigkeit der USA“, sagte Charles Ying, Programmdirektor für die Materialinnovationsplattformen der NSF. „Die jahrelangen Bemühungen des Konsortiums für zweidimensionale Kristalle an der Penn State, die Qualität und Größe von 2D-Materialien zu verbessern, haben es möglich gemacht, die 3D-Integration von Halbleitern in einer Größe zu erreichen, die für die Elektronik von großer Bedeutung sein kann.“

Laut Das ist dieser technologische Fortschritt nur der erste Schritt. „Unsere Fähigkeit, eine große Anzahl von Bauelementen im Wafer-Maßstab zu demonstrieren, zeigt, dass wir in der Lage waren, diese Forschung auf einen Maßstab zu übertragen, der von der Halbleiterindustrie geschätzt werden kann“, sagte Das.

„Wir haben 30.000 Transistoren in jede Schicht eingebaut, was eine Rekordzahl sein könnte. Damit ist die Penn State in einer einzigartigen Position, um einen Teil der Arbeit zu leiten und mit der amerikanischen Halbleiterindustrie zusammenzuarbeiten, um diese Forschung voranzutreiben.“

Die National Science Foundation und das Army Research Office unterstützten dieses Forschungsprojekt. (sb)

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