Halbleiterchips im atomaren Maßstab – Grenzen überschreiten

Das in fast 60 Jahren geschaffene Informationszeitalter hat der Welt das Internet, Smartphones und blitzschnelle Computer beschert. Möglich wurde dies durch die Verdopplung der Anzahl von Transistoren, die etwa alle zwei Jahre auf einen Computerchip gepackt werden können, wodurch Milliarden von Transistoren im atomaren Maßstab entstehen, 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 Verdoppelung nun schnell einer physikalischen Grenze nähert, hat sich das Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) den Bemühungen der Industrie angeschlossen, um den Prozess zu erweitern und neue Wege zu entwickeln, um immer leistungsfähiger, effizienter und kostengünstiger zu produzieren Chips. Laborwissenschaftler haben jetzt in der ersten PPPL-Studie im Rahmen eines kooperativen Forschungs- und Entwicklungsabkommens (CRADA) mit Lam Research Corp., einem weltweiten Anbieter von Geräten zur Chipherstellung, durch Modellierung einen Schlüsselschritt in der Chipherstellung im atomaren Maßstab genau vorhergesagt .

„Dies wäre ein kleiner Teil des gesamten Prozesses“, sagte Professor David Graves, stellvertretender Laborleiter für Niedertemperatur-Plasma-Oberflächenwechselwirkungen und Mitautor eines Artikels, der die Ergebnisse im Journal of Vacuum Science &Technology umreißt B . Durch Modellierung gewonnene Erkenntnisse, sagte er, „können zu allen möglichen guten Dingen führen, und deshalb sind diese Bemühungen im Labor vielversprechend.“

Die Schrumpfung könne zwar nicht mehr lange weitergehen, „aber sie ist noch nicht vollständig zu Ende“, sagte er. „Bisher ist es der Industrie gelungen, mit überwiegend empirischen Methoden innovative neue Verfahren zu entwickeln, aber ein tieferes grundlegendes Verständnis wird diesen Prozess beschleunigen. Grundlegende Studien brauchen Zeit und erfordern Fachwissen, das die Industrie nicht immer hat“, sagte er. „Das schafft einen starken Anreiz für Labore, die Arbeit zu übernehmen.“

Die PPPL-Wissenschaftler modellierten das sogenannte „Atomic Layer Etching“ (ALE), einen zunehmend kritischen Herstellungsschritt, der darauf abzielt, einzelne Atomschichten einzeln von einer Oberfläche zu entfernen. Mit diesem Verfahren können komplexe dreidimensionale Strukturen mit kritischen Abmessungen, die tausendmal dünner als ein menschliches Haar sind, in einen Film auf einem Siliziumwafer geätzt werden.

„Die Simulationen stimmten als erster Schritt im Wesentlichen mit den Experimenten überein und könnten zu einem besseren Verständnis der Verwendung von ALE für das Ätzen im atomaren Maßstab führen“, sagte Joseph Vella, Postdoktorand am PPPL und Hauptautor der Zeitschriftenarbeit. Ein verbessertes Verständnis wird PPPL in die Lage versetzen, Dinge wie das Ausmaß der Oberflächenbeschädigung und den Grad der Rauhigkeit zu untersuchen, die während des ALE entwickelt wurden, sagte er, „und das alles beginnt mit dem Aufbau unseres grundlegenden Verständnisses des Ätzens von Atomlagen.“

Das Modell simulierte die sequentielle Verwendung von Chlorgas und Argonplasmaionen, um den Siliziumätzprozess auf atomarer Ebene zu steuern. Plasma – ionisiertes Gas – ist eine Mischung aus freien Elektronen, positiv geladenen Ionen und neutralen Molekülen. Das Plasma, das bei der Verarbeitung von Halbleitergeräten verwendet wird, hat im Gegensatz zu dem ultraheißen Plasma, das in Fusionsexperimenten verwendet wird, nahezu Raumtemperatur.

„Ein überraschendes empirisches Ergebnis von Lam Research war, dass der ALE-Prozess besonders effektiv wurde, wenn die Ionenenergien um einiges höher waren als die, mit denen wir begonnen hatten“, sagte Graves. „Das wird also unser nächster Schritt in den Simulationen sein – um zu sehen, ob wir verstehen können, was passiert, wenn die Ionenenergie viel höher ist, und warum sie so gut ist.“

Für die Zukunft „erwägt die Halbleiterindustrie insgesamt eine erhebliche Ausweitung der Materialien und der zu verwendenden Gerätetypen, und diese Ausweitung muss auch mit atomarer Präzision verarbeitet werden“, sagte er. „Das Ziel der USA ist es, die Welt bei der Nutzung der Wissenschaft zur Lösung wichtiger industrieller Probleme anzuführen“, sagte er, „und unsere Arbeit ist ein Teil davon.“