麻省理工學(xué)院(MIT)和科羅拉多大學(xué)(University of Colorado)的研究人員制造了一種三維晶體管，其尺寸不到當(dāng)今最小商業(yè)模型的一半。

為此，他們開發(fā)了一種新的微加工技術(shù)，可以一個(gè)原子一個(gè)原子地改變半導(dǎo)體材料。這項(xiàng)工作的靈感來自于摩爾定律，摩爾定律在20世紀(jì)60年代提出，集成電路上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。為了遵循電子的“黃金法則”，研究人員不斷地尋找方法，將盡可能多的晶體管塞到微芯片上。最新的趨勢(shì)是垂直放置的三維晶體管，就像鰭一樣，寬約7納米——比人的頭發(fā)細(xì)數(shù)萬(wàn)倍。數(shù)以百億計(jì)的晶體管可以裝在一個(gè)指甲大小的微型芯片上。

博科園-科學(xué)科普：正如本周在IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議上發(fā)表的一篇論文所述：研究人員對(duì)最近發(fā)明的一種化學(xué)蝕刻技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，稱為熱原子級(jí)蝕刻(thermal atomic level etching，簡(jiǎn)稱熱ALE)，以便在原子級(jí)上對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行精確的修改。利用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員制作了2.5納米寬的3d晶體管，比商業(yè)晶體管效率更高。目前也有類似的原子級(jí)刻蝕方法，但這種新技術(shù)更精確，而且能生產(chǎn)出更高質(zhì)量的晶體管。此外它重新利用了一種用于在材料上沉積原子層的普通微加工工具，這意味著它可以快速集成。這將使計(jì)算機(jī)芯片具有更多的晶體管和更好的性能。

麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員利用一種新的制造技術(shù)，制造出了一種三維晶體管，其寬度不到當(dāng)今最薄商業(yè)模型寬度的一半，這可能有助于將更多的晶體管塞到單個(gè)電腦芯片上，上圖是研究人員的一個(gè)晶體管的橫截面，它只有不到3納米寬。圖片：Massachusetts Institute of Technology

麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)的研究生、第一作者盧文杰(Wenjie Lu)說：我們相信這項(xiàng)工作將對(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生巨大影響。隨著摩爾定律繼續(xù)縮小晶體管的尺寸，制造這種納米級(jí)器件變得更加困難。為了設(shè)計(jì)更小的晶體管，我們需要能夠以原子級(jí)的精度操縱材料。和盧一起發(fā)表這篇論文的還有:Jesus a . del Alamo，他是電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，也是Xtreme晶體管小組的負(fù)責(zé)人，也是一名MTL研究員;剛從MIT畢業(yè)的Lisa Kong '18;麻省理工博士后Alon Vardi;還有杰西卡·莫扎克，喬納斯·格奇，以及科羅拉多大學(xué)的史蒂芬·喬治教授。

一個(gè)原子一個(gè)原子地

微加工包括沉積(在基底上生長(zhǎng)的薄膜)和蝕刻(在表面上雕刻圖案)。為了形成晶體管，基片表面通過帶有晶體管形狀和結(jié)構(gòu)的光掩膜接觸到光。所有暴露在光線下的材料都可以用化學(xué)物質(zhì)蝕刻掉，而隱藏在光掩膜后面的材料則可以保留下來。目前最先進(jìn)的微加工技術(shù)是原子層沉積(ALD)和原子層蝕刻(ALE)。在ALD中，兩種化學(xué)物質(zhì)沉積在基體表面，在真空反應(yīng)器中相互反應(yīng)，形成所需厚度的薄膜，一次一原子層。傳統(tǒng)的ALE技術(shù)使用等離子體和高能離子，這些離子可以剝離材料表面的單個(gè)原子。但這些會(huì)造成表面損傷。這些方法還將材料暴露在空氣中，氧化會(huì)導(dǎo)致其他缺陷，影響性能。

2016年科羅拉多大學(xué)(University of Colorado)的研究小組發(fā)明了熱麥芽酒(thermal ALE)，這種技術(shù)與ALD非常相似，依賴于一種名為“配體交換”(ligand exchange)的化學(xué)反應(yīng)。在這個(gè)過程中，一種叫做配體的化合物中的離子與金屬原子結(jié)合，被另一種化合物中的配體取代。當(dāng)化學(xué)物質(zhì)被清除時(shí)，反應(yīng)導(dǎo)致取代配體從表面剝離單個(gè)原子。熱麥芽酒還處于起步階段，迄今為止只被用于蝕刻氧化物。在這項(xiàng)新工作中，研究人員使用與ALD相同的反應(yīng)器，對(duì)熱ALE進(jìn)行了修改，使其在半導(dǎo)體材料上工作。他們使用了一種被稱為銦鎵砷化物(或InGaAs)的合金化半導(dǎo)體材料，這種材料正日益被譽(yù)為硅的更快、更有效的替代品。

研究人員將這種材料暴露在氟化氫中，氟化氫是用于最初熱敏ALE工作的化合物，它在表面形成金屬氟化物的原子層。然后加入一種叫做二甲基氯化鋁(DMAC)的有機(jī)化合物。配體交換過程發(fā)生在金屬氟化物層上。當(dāng)DMAC被清除時(shí)，單個(gè)原子也隨之清除。這項(xiàng)技術(shù)重復(fù)了數(shù)百次。在一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器中，研究人員然后沉積“柵極”，一種控制晶體管開關(guān)的金屬元素。在實(shí)驗(yàn)中研究人員一次只從材料表面移除0.02納米。就像剝洋蔥，一層一層地剝，在每個(gè)循環(huán)中只能蝕刻掉2%的納米材料。這給了超高的精確度和對(duì)過程的細(xì)致控制。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)與ALD非常相似，可以將這種熱ALE集成到處理沉積的同一個(gè)反應(yīng)器中，只需要“對(duì)沉積工具進(jìn)行小的重新設(shè)計(jì)，以處理蝕刻后立即沉積的新氣體”，這對(duì)工業(yè)界非常有吸引力。

更薄、更好的“鰭”

利用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員制作了用于當(dāng)今許多商業(yè)電子設(shè)備的三維晶體管finfts。finfet由一層薄薄的硅“鰭”組成，垂直放置在基片上。門基本上是圍繞著鰭的，因?yàn)樗鼈兪谴怪钡男螤?，所以任何地方都可以?0億到300億的鰭片擠壓到芯片上。今年，蘋果、高通等科技公司開始使用7納米FinFETs。大多數(shù)研究人員的finfet測(cè)量寬度在5納米以下(這是整個(gè)行業(yè)的一個(gè)理想閾值)，高度在220納米左右。此外這種技術(shù)限制了材料暴露在由氧氣引起的缺陷中，從而降低了晶體管的效率。

該設(shè)備在“跨導(dǎo)”方面的性能比傳統(tǒng)finfet高出60%左右，晶體管將輸入的小電壓轉(zhuǎn)換為柵極輸出的電流，柵極開關(guān)晶體管，以處理驅(qū)動(dòng)計(jì)算的1s (on)和0s (off)。跨導(dǎo)測(cè)量轉(zhuǎn)換電壓需要多少能量。限制缺陷也會(huì)導(dǎo)致更高的開關(guān)對(duì)比度，理想情況下，當(dāng)晶體管打開時(shí)，你希望有大電流流過，以便處理繁重的計(jì)算，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，你希望幾乎沒有電流流過，以節(jié)省能源。這種對(duì)比對(duì)于制造高效的邏輯交換機(jī)和非常高效的微處理器至關(guān)重要，到目前為止在FinFETs中擁有最好的比例。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美