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Forscher entwickelten den wohl kleinsten 3-D Transistor

Forscher vom MIT und der University of Colorado entwickelten einen 3-D Transistor, der nicht einmal halb so groß ist wie die kleinsten heutigen kommerziellen Transistormodelle. Dazu entwickelten sie eine neuartige Mikrofertigungstechnik, die Halbleitermaterial Atom für Atom modifiziert.

Es ging bei diesem Forschungsprojekt im Wesentlichen darum, mit Moore's Law Schritt zu halten, eine Beobachtung aus den 1960er Jahren, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einer integrierten Schaltung etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Um diese "goldene Regel" der Elektronik einzuhalten, finden Forscher immer wieder Wege, so viele Transistoren wie möglich auf Mikrochips zu integrieren. Der neueste Trend sind 3-D Transistoren, die wie Finnen senkrecht stehen und etwa 7 nm messen. Dutzende Milliarden dieser Transistoren passen auf einen einzigen Mikrochip, der etwa die Größe eines Fingernagels hat.

Wie in einem Beitrag zum IEEE International Electron Devices Meeting beschrieben, haben die Forscher eine kürzlich erfundene chemische Ätztechnik, das so genannte 'Thermal Atomic Level Etching' (Thermal ALE), modifiziert, um eine präzise Veränderung von Halbleitermaterialien auf atomarer Ebene zu ermöglichen.

Mit dieser Technik fertigten die Forscher 3-D Transistoren, die bis zu 2,5 nm schmal und effizienter als ihre kommerziellen Pendants sind.

Ähnliche Ätzverfahren auf atomarer Ebene gibt es heute, aber die neue Technik ist präziser und liefert hochwertigere Transistoren. Darüber hinaus wird ein gängiges Mikrofabrikationswerkzeug zur Abscheidung von Atomschichten auf Materialien wiederverwendet, sodass es sich schnell im Fertigungsprozess integrieren lässt. Dies könnte Computerchips mit weitaus mehr Transistoren und mehr Performance ermöglichen, sagten die Forscher.

"Wir glauben, dass diese Arbeit große Auswirkungen auf die Praxis haben wird", sagte Erstautor Wenjie Lu, Doktorand an den 'Microsystems Technology Laboratories' des MIT.

"Da das Moore'sche Gesetz die Transistorgrößen immer kleiner macht, ist es schwieriger, solche nanoskaligen Bauelemente herzustellen. Um kleinere Transistoren zu entwickeln, müssen wir deswegen in der Lage sein, die Materialien mit atomarer Präzision zu manipulieren."

Atom für Atom

Die Mikrofertigung umfasst das Abscheiden (Aufwachsen des Films auf ein Substrat) und Ätzen (Gravieren von Mustern auf der Oberfläche). Um Transistoren zu bilden, wird die Substratoberfläche durch Fotomasken mit der Form und Struktur des Transistors dem Licht ausgesetzt.

Alle lichtbelasteten Materialien können dann mit Chemikalien weggeätzt werden, während das hinter der Fotomaske verborgene Material erhalten bleibt.

Die modernsten Techniken zur Mikrofertigung werden als Atomschichtabscheidung (ALD) und Atomschichtätzen (ALE) bezeichnet. Bei ALD werden zwei Chemikalien auf die Substratoberfläche aufgebracht und reagieren in einem Vakuumreaktor miteinander zu einem Film von gewünschter Dicke - eine Atomschicht nach der anderen.

Herkömmliche ALE-Techniken verwenden Plasma mit hochenergetischen Ionen, die einzelne Atome auf der Oberfläche des Materials entfernen. Aber diese verursachen Oberflächenschäden. Diese Methoden setzen das Material auch der Luft aus, wo die Oxidation zusätzliche Defekte verursacht, die die Performance beeinträchtigen.

Im Jahr 2016 erfand das Team der University of Colorado das thermische ALE, eine Technik, die ALD sehr ähnlich ist und auf einer chemischen Reaktion namens "Ligandenaustausch" basiert. Bei diesem Prozess wird ein Ion in einer Verbindung, genannt Ligand, das an Metallatome bindet, durch einen Liganden in einer anderen Verbindung ersetzt.

Beim Entfernen der Chemikalien bewirkt die Reaktion, dass die Ersatzliganden einzelne Atome von der Oberfläche entfernen. Thermisches ALE, das noch in den Kinderschuhen steckt, wurde bisher nur zum Ätzen von Oxiden eingesetzt.

In dieser neuen Arbeit modifizierten die Forscher thermisches ALE, um an einem Halbleitermaterial zu arbeiten, wobei sie den gleichen Reaktor verwendeten, der für ALD reserviert war.

Sie benutzten ein legiertes Halbleitermaterial, genannt Indium-Gallium-Arsenid (oder InGaAs), das zunehmend als schnellere und effizientere Alternative zu Silizium angesehen wird.

Die Forscher setzten das Material dem Fluorwasserstoff aus, eine Verbindung, die für die ursprüngliche thermische ALE-Arbeit verwendet wurde, die eine Atomschicht aus Metallfluorid auf der Oberfläche bildet. Dann gossen sie eine organische Verbindung namens Dimethylaluminiumchlorid (DMAC) über das Element.

Der Ligandenaustauschprozess findet auf der Metallfluoridschicht statt. Wenn der DMAC gereinigt ist, folgen einzelne Atome. Die Technik wird über Hunderte von Zyklen mal wiederholt. In einem separaten Reaktor deponierten die Forscher dann das "Gate", das metallische Element, das das Ein- und Ausschalten der Transistoren steuert.

In Experimenten entfernten die Forscher jeweils nur 0,02 nm von der Oberfläche des Materials. "Man schält gewissermaßen eine Zwiebel, Schicht für Schicht", sagte Lu. "Mit jedem Zyklus können wir nur 2 Prozent eines Nanometers eines Materials wegätzen. Das gibt uns eine sehr hohe Genauigkeit und sorgfältige Kontrolle des Prozesses."

Da diese Technik dem ALD ähnelt, "kann man dieses thermische ALE in den gleichen Reaktor integrieren, in dem man an der Deposition arbeitet", sagte del Alamo. Es bedarf nur einer "kleinen Umgestaltung des Abscheidewerkzeugs, um mit neuen Gasen umgehen zu können, damit die Abscheidung unmittelbar nach dem Ätzen erfolgt. Das ist für die Industrie sehr attraktiv."

Mit dieser Technik fertigten die Forscher FinFETs, 3-D Transistoren, die in vielen der heutigen kommerziellen elektronischen Geräte verwendet werden. FinFETs bestehen aus einer dünnen "Finne" aus Silizium, die vertikal auf einem Substrat steht.

Das Gate ist im Wesentlichen um die Seitenflosse gewickelt. Aufgrund ihrer vertikalen Form können sich zwischen 7 und 30 Milliarden FinFETs auf einem Chip befinden. Seit letztem Jahr verwenden Apple, Qualcomm und andere Technologieunternehmen 7-nm FinFETs.

Die meisten FinFETs der Forscher messen unter 5 nm Breite - ein gewünschter Schwellenwert in der Industrie - und etwa 220 nm Höhe. Darüber hinaus begrenzt die Technik die Belastung des Materials durch sauerstoffbedingte Defekte, die die Transistoren weniger effizient machen.

Das neue Element schneidet bei der Transkonduktanz rund 60 Prozent besser ab als herkömmliche FinFETs, berichten die Forscher. Transistoren wandeln eine kleine Eingangsspannung in einen Strom um, der von dem Gate geliefert wird. Die Transkonduktanz misst, wie viel Energie zur Umwandlung dieser Spannung benötigt wird.

Die Begrenzung von Defekten führt auch zu einem höheren Ein-Aus-Verhältnis, sagten die Forscher. Im Idealfall wird angestrebt, dass bei eingeschalteten Transistoren ein hoher Strom fließt, um 'schwere' Berechnungen durchzuführen, und fast kein Strom, wenn sie ausgeschaltet sind, um Energie zu sparen.

"Dieses Verhältnis ist entscheidend für die Herstellung effizienter Logikschalter und sehr effizienter Mikroprozessoren", sagte del Alamo. "Soweit haben wir das beste Verhältnis [unter den FinFETs]."

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