Chips semiconductores a escala atómica:empujando los límites

La era de la información creada durante casi 60 años le ha dado al mundo Internet, teléfonos inteligentes y computadoras ultrarrápidas. Hacer esto posible ha sido la duplicación de la cantidad de transistores que se pueden empaquetar en un chip de computadora aproximadamente cada dos años, dando lugar a miles de millones de transistores a escala atómica que ahora caben en un chip del tamaño de una uña. Tales longitudes de "escala atómica" son tan pequeñas que los átomos individuales se pueden ver y contar en ellas.

Ahora que esta duplicación se acerca rápidamente a un límite físico, el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) se ha unido a los esfuerzos de la industria para extender el proceso y desarrollar nuevas formas de producir cada vez más capaces, eficientes y rentables. papas fritas. Los científicos del laboratorio ahora han predicho con precisión, a través del modelado, un paso clave en la fabricación de chips a escala atómica en el primer estudio PPPL bajo un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA) con Lam Research Corp., un proveedor mundial de equipos de fabricación de chips. .

"Esta sería una pequeña pieza en todo el proceso", dijo el profesor David Graves, director asociado del laboratorio de interacciones de la superficie del plasma a baja temperatura y coautor de un artículo que describe los hallazgos en el Journal of Vacuum Science &Technology. B . Los conocimientos adquiridos a través del modelado, dijo, "pueden conducir a todo tipo de cosas buenas, y es por eso que este esfuerzo en el laboratorio es prometedor".

Si bien la contracción no puede durar mucho más, “no ha llegado a su fin por completo”, dijo. “La industria ha tenido éxito hasta la fecha en el uso de métodos principalmente empíricos para desarrollar nuevos procesos innovadores, pero una comprensión fundamental más profunda acelerará este proceso. Los estudios fundamentales toman tiempo y requieren experiencia que la industria no siempre tiene”, dijo. “Esto crea un fuerte incentivo para que los laboratorios asuman el trabajo”.

Los científicos de PPPL modelaron lo que se llama "grabado de capa atómica" (ALE), un paso de fabricación cada vez más crítico que tiene como objetivo eliminar capas atómicas individuales de una superficie una a la vez. Este proceso se puede utilizar para grabar estructuras tridimensionales complejas con dimensiones críticas que son miles de veces más delgadas que un cabello humano en una película sobre una oblea de silicio.

“Las simulaciones básicamente coincidieron con los experimentos como primer paso y podrían conducir a una mejor comprensión del uso de ALE para el grabado a escala atómica”, dijo Joseph Vella, becario postdoctoral en PPPL y autor principal del artículo de la revista. Una mejor comprensión permitirá a PPPL investigar cosas como la extensión del daño superficial y el grado de rugosidad desarrollado durante ALE, dijo, "y todo esto comienza con la construcción de nuestra comprensión fundamental del grabado de la capa atómica".

El modelo simuló el uso secuencial de cloro gaseoso e iones de plasma de argón para controlar el proceso de grabado de silicio a escala atómica. El plasma, gas ionizado, es una mezcla que consta de electrones libres, iones cargados positivamente y moléculas neutras. El plasma utilizado en el procesamiento de dispositivos semiconductores está cerca de la temperatura ambiente, en contraste con el plasma ultra caliente utilizado en los experimentos de fusión.

“Un hallazgo empírico sorpresa de Lam Research fue que el proceso ALE se volvió particularmente efectivo cuando las energías de los iones eran un poco más altas que con las que comenzamos”, dijo Graves. "Así que ese será nuestro próximo paso en las simulaciones:ver si podemos entender qué sucede cuando la energía de los iones es mucho más alta y por qué es tan buena".

En el futuro, “la industria de los semiconductores en su conjunto está contemplando una gran expansión en los materiales y los tipos de dispositivos que se utilizarán, y esta expansión también deberá procesarse con precisión a escala atómica”, dijo. “El objetivo de EE. UU. es liderar el mundo en el uso de la ciencia para abordar problemas industriales importantes”, dijo, “y nuestro trabajo es parte de eso”.