Technologie Atomdünne Transistoren auf Computerchips integriert

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Eine neue Technologie für das Wachstum und die Herstellung bei niedrigen Temperaturen ermöglicht die Integration von 2-D-Materialien direkt auf einem Siliziumschaltkreis, was zu dichteren und leistungsfähigeren Chips führen könnte.

Aufkommende KI-Anwendungen wie Chatbots, die natürliche menschliche Sprache erzeugen, erfordern komplexere und leistungsfähigere Computerchips. Traditionell werden Halbleiterchips jedoch aus massiven Materialien in Form von kastenförmigen 3D-Strukturen hergestellt, sodass es sehr schwierig ist, mehrere Schichten von Transistoren aufeinanderzustapeln, um eine höhere Integrationsdichte zu erzielen.

Halbleitertransistoren aus ultradünnen 2-D-Materialien, die jeweils nur etwa drei Atome dick sind, könnten jedoch zu leistungsfähigeren Chips gestapelt werden. Zu diesem Zweck haben MIT-Forscher jetzt eine neue Technologie demonstriert, mit der Schichten aus 2-D-Übergangsmetalldichalcogenid (TMD)-Materialien effektiv und effizient direkt auf einem vollständig hergestellten Siliziumchip „wachsen“ können, um eine dichtere Integration zu erreichen.

Das direkte Aufwachsen von 2D-Materialien auf einen CMOS-Siliziumwafer war bisher eine große Herausforderung, da für den Prozess normalerweise Temperaturen von etwa +600 °C erforderlich sind, während Siliziumtransistoren und -schaltungen bereits bei einer Erwärmung von mehr als +400 °C kollabieren können. Das interdisziplinäre Forscherteam hat nun ein Niedrigtemperaturwachstumsverfahren entwickelt, das den Trägerchip nicht schädigt. Mit dieser Technologie ist es nun möglich, 2D-Halbleitertransistoren direkt auf Standard-Siliziumschaltungen zu integrieren.

In der Vergangenheit wurden 2D-Materialien separat gezüchtet und dann auf einen Chip oder Wafer übertragen. Dies führt häufig zu Fehlern, die die Leistung der fertigen Schaltkreise beeinträchtigen. Außerdem ist es extrem schwierig, das Material reibungslos auf den Wafermaßstab zu übertragen. Das neue Verfahren hingegen erzeugt eine glatte, sehr gleichmäßige Schicht über einen ganzen 8-Zoll-Wafer.

Die neue Technologie ist auch in der Lage, die Zeit für das Wachstum dieser Materialien erheblich zu verkürzen. Während bisherige Verfahren mehr als einen Tag benötigten, um eine einzige Schicht aus 2D-Materialien zu züchten, kann mit dem neuen Verfahren eine gleichmäßige Schicht aus TMD-Material in weniger als einer Stunde über einen ganzen 8-Zoll-Wafer gezogen werden.

Dank der hohen Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit der neuen Technologie konnten die Forscher eine zweidimensionale Materialschicht auf viel größeren Flächen integrieren als bisher gezeigt. Dadurch eignet sich ihre Methode besser für kommerzielle Anwendungen, bei denen Wafer mit einer Größe von 8 Zoll oder mehr von entscheidender Bedeutung sind.

„Die Verwendung von 2-D-Materialien ist ein guter Weg, um die Dichte eines integrierten Schaltkreises zu erhöhen. Was wir tun, ist wie der Bau eines mehrstöckigen Gebäudes. Wenn man nur ein Stockwerk hat, werden nicht viele Menschen darin wohnen. Aber mit mehr Stockwerken können natürlich mehr Menschen in dem Gebäude leben.

„Dank der heterogenen Integration, an der wir arbeiten, haben wir Silizium als erstes Stockwerk und können dann viele Stockwerke mit 2D-Materialien direkt darüber integrieren," sagt Jiadi Zhu, Doktorand in Elektrotechnik und Informatik und Mitautor eines Berichts über die neue Technik.

Schlanke Materialien mit großem Potenzial

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

Das Aufwachsen dünner Schichten aus Molybdändisulfid auf einer Oberfläche mit guter Gleichmäßigkeit wird häufig durch ein Verfahren erreicht, das als metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) bekannt ist. Molybdänhexacarbonyl und Diethylenschwefel, zwei organische chemische Verbindungen, die Molybdän- und Schwefelatome enthalten, werden verdampft und in der Reaktionskammer erhitzt, wo sie in kleinere Moleküle „aufgespalten“ werden. Diese Moleküle verbinden sich dann durch chemische Reaktionen zu Molybdändisulfidketten auf einer Oberfläche.

Um diese Molybdän-Schwefel-Verbindungen, sogenannte Precursoren, zu zersetzen, sind jedoch Temperaturen von mehr als +550 °C erforderlich, während Siliziumschaltungen bereits bei Temperaturen von mehr als +400 °C zu zerfallen beginnen. Deshalb haben die Forscher einen völlig neuen Ofen für das Verfahren der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung entwickelt und gebaut.

Der Ofen besteht aus zwei Kammern, einem Niedertemperaturbereich im vorderen Teil, in dem sich der Siliziumwafer befindet, und einem Hochtemperaturbereich im hinteren Teil. Verdampfte Molybdän- und Schwefelvorläufer werden in den Ofen gepumpt. Das Molybdän verbleibt im Niedertemperaturbereich, wo die Temperatur unter +400 °C gehalten wird – heiß genug, um die Molybdänvorstufe zu zersetzen, aber nicht heiß genug, um den Siliziumchip zu beschädigen.

Ein Problem bei diesem Verfahren ist, dass Siliziumschaltungen normalerweise mit Aluminium oder Kupfer beschichtet werden, damit der Chip vor der Montage auf einer Leiterplatte mit einem Gehäuse oder einem Träger verbunden werden kann.

Schwefel führt jedoch dazu, dass diese Metalle schwefeln, so wie manche Metalle rosten, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt sind, was ihre Leitfähigkeit beeinträchtigt. Die Forscher verhinderten die Schwefelung, indem sie zunächst eine sehr dünne Schicht eines Passivierungsmaterials auf den Chip auftrugen. Später konnten sie die Passivierungsschicht öffnen, um Verbindungen herzustellen.

Außerdem führten sie den Siliziumwafer nicht horizontal, sondern vertikal in die Niedertemperaturzone des Ofens ein. Durch die vertikale Anordnung sind die beiden Enden nicht zu nahe an der Hochtemperaturzone, sodass kein Teil des Wafers durch die Hitze beschädigt wird.

Zusätzlich werden die Molybdän- und Schwefelgasmoleküle verwirbelt, wenn sie auf den vertikalen Chip treffen, anstatt über eine horizontale Fläche zu fließen. Dieser Zirkulationseffekt verbessert das Wachstum von Molybdändisulfid und führt zu einer besseren Gleichmäßigkeit des Materials.

Die Schwefelvorstufe fließt in den Hochtemperaturbereich, wo sie sich zersetzt. Dann fließt es zurück in den Niedertemperaturbereich, wo die chemische Reaktion zum Wachstum von Molybdändisulfid auf der Oberfläche des Wafers stattfindet.

Die Methode liefert nicht nur eine gleichmäßigere Schicht, sondern ist auch viel schneller als andere MOCVD-Verfahren. Die Forscher konnten eine Schicht in weniger als einer Stunde wachsen lassen, während der MOCVD-Wachstumsprozess normalerweise mindestens einen ganzen Tag dauert.

Mit den hochmodernen MIT. Nano-Anlagen konnten die Forscher eine hohe Gleichmäßigkeit und Qualität des Materials auf einem 8-Zoll-Siliziumwafer nachweisen, was besonders für industrielle Anwendungen wichtig ist, bei denen größere Wafer benötigt werden.

„Durch die Verkürzung der Wachstumszeit ist das Verfahren wesentlich effizienter und könnte leichter in industrielle Fertigungsprozesse integriert werden. Außerdem handelt es sich um einen siliziumverträglichen Niedrigtemperaturprozess, der dazu beitragen kann, 2D-Materialien in der Halbleiterindustrie weiterzuverbreiten," sagt Zhu.

In Zukunft wollen die Forscher ihre Technik weiter verfeinern und sie für das Wachstum vieler gestapelter Schichten von 2D-Transistoren einsetzen. Außerdem planen sie, das Niedrigtemperatur-Wachstumsverfahren für flexible Oberflächen wie Polymere, Textilien oder sogar Papier zu untersuchen. Dies könnte die Integration von Halbleitern in Alltagsgegenstände wie Kleidung oder Notizbücher ermöglichen.

Die Forschungsarbeiten werden teilweise vom MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, dem National Science Foundation Center for Integrated Quantum Materials, Ericsson, MITRE, dem U.S. Army Research Office und dem U.S. Department of Energy finanziert. Das Projekt wurde auch von TSMC University Shuttle unterstützt.  (mbf)

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