Computing revolutionieren: Der Aufstieg atomarer Halbleiter-Chips

Das Informationszeitalter, das über fast 60 Jahre geschaffen wurde, hat der Welt das Internet, Smartphones und blitzschnelle Computer gegeben. Dies wurde möglich durch die Verdopplung der Anzahl der Transistoren, die auf einen Computerchip gepackt werden können, etwa alle zwei Jahre, was zu Milliarden atomarer Transistoren führt, die jetzt auf einen fingernagelgroßen Chip passen. Solche „atomaren“ Längen sind so winzig, dass einzelne Atome darin gesehen und gezählt werden können.

Da sich diese Verdopplung nun rasch einer physikalischen Grenze nähert, hat sich das U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) den Industrieanstrengungen angeschlossen, um den Prozess zu erweitern und neue Wege zu entwickeln, um immer leistungsfähigere, effizientere und kosteneffektivere Chips herzustellen. Laborwissenschaftler haben nun durch Modellierung einen Schlüsselschritt in der atomaren Chip-Fertigung präzise vorhergesagt in der ersten PPPL-Studie unter einem Cooperative Research and Development Agreement (CRADA) mit Lam Research Corp., einem weltweiten Lieferanten von Chip-Fertigungsausrüstung.

„Dies wäre ein kleines Stück im gesamten Prozess“, sagte Professor David Graves, stellvertretender Laborleiter für Niedrigtemperatur-Plasma-Oberflächenwechselwirkungen und Co-Autor eines Papers, das die Ergebnisse im Journal of Vacuum Science & Technology B darlegt. Die durch Modellierung gewonnenen Erkenntnisse, sagte er, „können zu allen möglichen guten Dingen führen, und deshalb hat diese Anstrengung im Labor vielversprechendes Potenzial.“

Während die Schrumpfung nicht mehr viel länger fortgesetzt werden kann, „hat sie noch nicht完全 ein Ende erreicht“, sagte er. „Die Industrie war bisher erfolgreich darin, hauptsächlich empirische Methoden zu verwenden, um innovative neue Prozesse zu entwickeln, aber ein tieferes fundamentales Verständnis wird diesen Prozess beschleunigen. Fundamentale Studien brauchen Zeit und erfordern Expertise, die die Industrie nicht immer hat“, sagte er. „Dies schafft einen starken Anreiz für Labore, die Arbeit zu übernehmen.“

Die PPPL-Wissenschaftler modellierten, was als „atomare Lagenätzung“ (ALE) bezeichnet wird, ein zunehmend kritischer Fertigungsschritt, der darauf abzielt, einzelne Atomlagen von einer Oberfläche nacheinander zu entfernen. Dieser Prozess kann verwendet werden, um komplexe dreidimensionale Strukturen mit kritischen Dimensionen, die tausendmal dünner sind als ein menschliches Haar, in einen Film auf einem Siliziumwafer zu ätzen.

„Die Simulationen stimmten im ersten Schritt im Wesentlichen mit Experimenten überein und könnten zu einem verbesserten Verständnis der Verwendung von ALE für atomares Ätzen führen“, sagte Joseph Vella, Postdoktorand am PPPL und Hauptautor des Journal-Papiers. Ein verbessertes Verständnis wird es PPPL ermöglichen, Dinge wie das Ausmaß von Oberflächenschäden und den Grad der Rauheit, der während ALE entsteht, zu untersuchen, sagte er, „und all das beginnt mit dem Aufbau unseres fundamentalen Verständnisses der atomaren Lagenätzung.“

Das Modell simulierte die sequentielle Verwendung von Chlorgas und Argon-Plasma-Ionen, um den Silizium-Ätzprozess auf atomarer Skala zu steuern. Plasma – ionisiertes Gas – ist ein Gemisch aus freien Elektronen, positiv geladenen Ionen und neutralen Molekülen. Das in der Halbleiterbauelementverarbeitung verwendete Plasma ist nahe Raumtemperatur, im Gegensatz zum ultraheißen Plasma, das in Fusionsversuchen verwendet wird.

„Eine überraschende empirische Entdeckung von Lam Research war, dass der ALE-Prozess besonders effektiv wurde, wenn die Ionenenergien काफी ein bisschen höher waren als die, mit denen wir begonnen hatten“, sagte Graves. „Das wird unser nächster Schritt in den Simulationen sein – zu sehen, ob wir verstehen können, was passiert, wenn die Ionenenergie viel höher ist und warum es so gut ist.“

Für die Zukunft „betrachtet die Halbleiterindustrie als Ganzes eine große Erweiterung der Materialien und der Arten von Geräten, die verwendet werden sollen, und diese Erweiterung wird auch mit atomarer Präzision verarbeitet werden müssen“, sagte er. „Das US-Ziel ist es, die Welt in der Nutzung von Wissenschaft anzuführen, um wichtige industrielle Probleme zu lösen“, sagte er, „und unsere Arbeit ist Teil davon.“