Monokihiline alumiiniumoksüüd avab tee sub-1 nm transistoritele

Kujutage ette kanalikihti, mis on nii õhuke, et seda mõõdetakse osa nanomeetrist. Väikesed muutused sellisel skaalal otsustavad, kas transistor töötab sujuvalt või jääb toppama. TSMC ja Taiwani NYCU ei otsinud eksootilisi uusi materjale. Selle asemel muutsid nad transistori pinnakeemiat.

Miks üliõhuke alumiiniumkiht muudab mängureegleid

Kaasaegsed kiibid mahutavad miljardeid transistoreid, kasutades 3D-disaini nagu FinFET-id ja gate-all-around FET-id. Need arhitektuurid suurendavad värava kontaktpinda, ümbritsedes väravat tõstetud kanaliga. Trikk toimib kuni kanal muutub niivõrd õhukeseks, et see peaaegu kaob. Kui kanalid vähenevad 3–5 nanomeetri juurde, nõrgeneb värava kontroll. Alla ligikaudu 3 nanomeetri hakkavad elektronid suhelda väravamaterjalidega viisil, mis suurendab takistust ja põhjustab lekkevoogu.

Siin muutuvad atraktiivseks ühekihilised, kahe mõõtmelised pooljuhid nagu molübdeen-disulfiid (MoS2). Umbes 0,7 nanomeetrit paks MoS2-kanal lubab oluliselt paremat elektrostaatilist kontrolli ja väiksemat lekkevoogu, võimaldades tootjatel pürgida sub-1 nm värakihistuste ja ülilühikeste kanalite suunas. Kuid üliõhuke tähendab ka väga kapriisset käitumist. Kui proovida värava dielektrikku deponeerida vanal moel, tekib krobeline, ebaühtlane kiht, mis halvendab jõudlust.

TSMC ja NYCU pöörasid probleemi pea peale. Selle asemel, et leiutada täiesti uus dielektrik või sundida MoS2-le agressiivset deponeerimiskeemiat, töötlesid nad esmalt kanali pinda. Meeskond ladestas MoS2 peale epitaksiaalse alumiiniummonokihti ja lasi selle oksüdeeruda ühtlaseks alumiiniumoksiidiks, mis oli vaid 0,42 nanomeetrit paks. Selle mikroõhukese puhvrikihi peale asetati kõrge dielektrilise konstandiga hafniumoksiid.

Tulemus: erakordselt sile värava liides, mis vähendab lekkeid ja teravdab kontrolli elektronide voolu üle. Testides andis pindinseneritud virn värava juhtimise ja väiksema takistuse, mis oli võrreldav ligikaudu 1 nanomeetrise dielektrikuga, ent säilitades MoS2 kanali eelised.

On selged plussid ja praktilised küsimused. Massitootmine nõuab endiselt korduvat, puhast epitaksiaalset kasvu ja integreerimist tagaprotsessidesse. Sellegipoolest väldib see lähenemine paljusid materjalikompromisse, millega kiibitootjad on võidelnud, ja pakub pragmaatilist teed tihedamate, kiiremate loogikaseadmeteni.

See pindinsenerimise samm võib olla praktiline sild massitoodetud sub-1 nm transistorite ja pooljuhtide skaleerimise uue peatüki vahel.