仅2.5纳米！工程师已制造出迄今最小的三维晶体管！
博科园2018-12-10 20:58
麻省理工学院(MIT)和科罗拉多大学(University of Colorado)的研究人员制造了一种三维晶体管，其尺寸不到当今最小商业模型的一半。为此，他们开发了一种新的微加工技术，可以一个原子一个原子地改变半导体材料。这项工作的灵感来自于摩尔定律，摩尔定律在20世纪60年代提出，集成电路上的晶体管数量每两年就会翻一番。为了遵循电子的“黄金法则”，研究人员不断地寻找方法，将尽可能多的晶体管塞到微芯片上。最新的趋势是垂直放置的三维晶体管，就像鳍一样，宽约7纳米——比人的头发细数万倍。数以百亿计的晶体管可以装在一个指甲大小的微型芯片上。
博科园-科学科普：正如本周在IEEE国际电子器件会议上发表的一篇论文所述：研究人员对最近发明的一种化学蚀刻技术进行了改进，称为热原子级蚀刻(thermal atomic level etching，简称热ALE)，以便在原子级上对半导体材料进行精确的修改。利用这项技术，研究人员制作了2.5纳米宽的3d晶体管，比商业晶体管效率更高。目前也有类似的原子级刻蚀方法，但这种新技术更精确，而且能生产出更高质量的晶体管。此外它重新利用了一种用于在材料上沉积原子层的普通微加工工具，这意味着它可以快速集成。这将使计算机芯片具有更多的晶体管和更好的性能。
麻省理工学院(MIT)的研究人员利用一种新的制造技术，制造出了一种三维晶体管，其宽度不到当今最薄商业模型宽度的一半，这可能有助于将更多的晶体管塞到单个电脑芯片上，上图是研究人员的一个晶体管的横截面，它只有不到3纳米宽。图片：Massachusetts Institute of Technology麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的研究生、第一作者卢文杰(Wenjie Lu)说：我们相信这项工作将对现实世界产生巨大影响。随着摩尔定律继续缩小晶体管的尺寸，制造这种纳米级器件变得更加困难。为了设计更小的晶体管，我们需要能够以原子级的精度操纵材料。和卢一起发表这篇论文的还有:Jesus a . del Alamo，他是电气工程和计算机科学教授，也是Xtreme晶体管小组的负责人，也是一名MTL研究员;刚从MIT毕业的Lisa Kong '18;麻省理工博士后Alon Vardi;还有杰西卡·莫扎克，乔纳斯·格奇，以及科罗拉多大学的史蒂芬·乔治教授。
一个原子一个原子地
微加工包括沉积(在基底上生长的薄膜)和蚀刻(在表面上雕刻图案)。为了形成晶体管，基片表面通过带有晶体管形状和结构的光掩膜接触到光。所有暴露在光线下的材料都可以用化学物质蚀刻掉，而隐藏在光掩膜后面的材料则可以保留下来。目前最先进的微加工技术是原子层沉积(ALD)和原子层蚀刻(ALE)。在ALD中，两种化学物质沉积在基体表面，在真空反应器中相互反应，形成所需厚度的薄膜，一次一原子层。传统的ALE技术使用等离子体和高能离子，这些离子可以剥离材料表面的单个原子。但这些会造成表面损伤。这些方法还将材料暴露在空气中，氧化会导致其他缺陷，影响性能。
2016年科罗拉多大学(University of Colorado)的研究小组发明了热麦芽酒(thermal ALE)，这种技术与ALD非常相似，依赖于一种名为“配体交换”(ligand exchange)的化学反应。在这个过程中，一种叫做配体的化合物中的离子与金属原子结合，被另一种化合物中的配体取代。当化学物质被清除时，反应导致取代配体从表面剥离单个原子。热麦芽酒还处于起步阶段，迄今为止只被用于蚀刻氧化物。在这项新工作中，研究人员使用与ALD相同的反应器，对热ALE进行了修改，使其在半导体材料上工作。他们使用了一种被称为铟镓砷化物(或InGaAs)的合金化半导体材料，这种材料正日益被誉为硅的更快、更有效的替代品。
研究人员将这种材料暴露在氟化氢中，氟化氢是用于最初热敏ALE工作的化合物，它在表面形成金属氟化物的原子层。然后加入一种叫做二甲基氯化铝(DMAC)的有机化合物。配体交换过程发生在金属氟化物层上。当DMAC被清除时，单个原子也随之清除。这项技术重复了数百次。在一个单独的反应器中，研究人员然后沉积“栅极”，一种控制晶体管开关的金属元素。在实验中研究人员一次只从材料表面移除0.02纳米。就像剥洋葱，一层一层地剥，在每个循环中只能蚀刻掉2%的纳米材料。这给了超高的精确度和对过程的细致控制。因为这项技术与ALD非常相似，可以将这种热ALE集成到处理沉积的同一个反应器中，只需要“对沉积工具进行小的重新设计，以处理蚀刻后立即沉积的新气体”，这对工业界非常有吸引力。
更薄、更好的“鳍”
利用这项技术，研究人员制作了用于当今许多商业电子设备的三维晶体管finfts。finfet由一层薄薄的硅“鳍”组成，垂直放置在基片上。门基本上是围绕着鳍的，因为它们是垂直的形状，所以任何地方都可以把70亿到300亿的鳍片挤压到芯片上。今年，苹果、高通等科技公司开始使用7纳米FinFETs。大多数研究人员的finfet测量宽度在5纳米以下(这是整个行业的一个理想阈值)，高度在220纳米左右。此外这种技术限制了材料暴露在由氧气引起的缺陷中，从而降低了晶体管的效率。
该设备在“跨导”方面的性能比传统finfet高出60%左右，晶体管将输入的小电压转换为栅极输出的电流，栅极开关晶体管，以处理驱动计算的1s (on)和0s (off)。跨导测量转换电压需要多少能量。限制缺陷也会导致更高的开关对比度，理想情况下，当晶体管打开时，你希望有大电流流过，以便处理繁重的计算，当晶体管关闭时，你希望几乎没有电流流过，以节省能源。这种对比对于制造高效的逻辑交换机和非常高效的微处理器至关重要，到目前为止在FinFETs中拥有最好的比例。
博科园-科学科普｜研究/来自：麻省理工学院博科园-传递宇宙科学之美
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