Vienas molekulas alumīnija slānis maina tranzistoru likumus

Iedomājieties kanāla slāni tik plānu, ka to mēra daļās no viena nanometra. Sīkākas izmaiņas šādā mērogā nosaka, vai tranzistors darbosies raiti vai apstāsies. TSMC, sadarbojoties ar Taivānas NYCU, nemeklēja eksotiskas jaunas vielas. Tā vietā viņi pārbūvēja tranzistora virsmas ķīmiju.

Kāpēc ārkārtīgi plāns alumīnija slānis maina spēles noteikumus

Mūsdienu mikroshēmas ietver miljardus tranzistoru, izmantojot 3D arhitektūras, piemēram, FinFET un gate-all-around FET konstrukcijas. Šīs arhitektūras palielina vārta kontaktplatību, aptinot vārtus ap paceltu kanālu. Triks darbojas, kamēr kanāls nav tik plāns, ka tas kļūst izzūdošs. Kad kanāli sarūk līdz aptuveni 3 līdz 5 nanometriem, vārta kontrole vājinās. Pazeminoties zem aptuveni 3 nanometriem, elektroni sāk mijiedarboties ar vārta materiāliem tā, ka palielinās pretestība un parādās strāvas noplūde.

Tajā brīdī pievilcīgi šķiet vienas slāņa, divdimensionālie pusvadītāji, piemēram, molibdēna disulfīds (MoS2). Aptuveni 0,7 nanometru biezs MoS2 kanāls sola daudz labāku elektrostatisko kontroli un zemāku noplūdi, ļaujot ražotājiem tiekties uz vārtu konstrukcijām ar biezumu mazāk par 1 nm un ārkārtīgi īsiem kanālu garumiem. Tomēr ārkārtīgi plāns nozīmē arī ārkārtīgi prasīgs. Mēģinot uzklāt vārta dielektriku vecajā veidā, iegūst raupju, plankumainu slāni, kas grauj veiktspēju.

TSMC un NYCU pagrieza problēmu kārtīgi otrādi. Tā vietā, lai izgudrotu pilnīgi jaunu dielektriku vai piespiestu agresīvu nogulsnēšanas ķīmiju uz MoS2, viņi vispirms veica kanāla virsmas inženieriju. Komanda uzklāja epitaksiālu alumīnija monoslāni uz MoS2 un ļāva tam oksidēties par vienmērīgu alumīnija oksīdu tikai 0,42 nanometru biezumā. Virs šī mikroslāņa viņi novietoja augstas relatīvās dielektriskās konstantas (high-k) hafnija oksīda dielektriku.

Iegūtā rezultātā: ievērojami gluda vārta saskare, kas samazina noplūdi un pastiprina kontroli pār elektronu plūsmu. Testos ar virsmas inženierēto slāni sasniegtā vārta kontrole un zemākā pretestība bija salīdzināma ar aptuveni 1 nanometra dielektriku, taču saglabājot MoS2 kanāla priekšrocības.

Ir skaidras priekšrocības, bet arī praktiski jautājumi. Ražošana lielos apjomos joprojām prasa atkārtojamu, tīru epitaksiju un integrāciju pēcražošanas procesos. Tomēr šī pieeja izvairās no daudziem materiālu kompromisiem, ar kuriem cīnās mikroshēmu ražotāji, un piedāvā pragmatisku ceļu uz blīvākiem, ātrākiem loģikas ierīcēm.

Šis virsmas inženierijas solis varētu būt praktisks tilts uz masu ražojamiem tranzistoriem ar biezumu zem 1 nm un jaunu nodaļu pusvadītāju mērogošanā.