MITのエンジニアがコンピューターチップ上に原子レベルで薄いトランジスタを「成長」させる

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人間の自然言語を生成するチャットボットなどの新たな AI アプリケーションには、より高密度で強力なコンピューター チップが必要です。 しかし、半導体チップは伝統的に箱状の 3D 構造であるバルク材料で作られているため、複数のトランジスタ層を積層してより高密度の集積を実現することは非常に困難です。

しかし、それぞれの厚さがわずか原子 3 個ほどの極薄 2D 材料で作られた半導体トランジスタを積み重ねて、より強力なチップを作成することができます。 この目的を達成するために、MITの研究者らは今回、完全に製造されたシリコンチップ上に2D遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）材料の層を効果的かつ効率的に「成長」させ、より高密度な集積を可能にする新しい技術を実証した。

シリコン CMOS ウェハ上に 2D 材料を直接成長させることは、通常、プロセスに摂氏約 600 度の温度が必要である一方、シリコンのトランジスタや回路は 400 度以上に加熱されると故障する可能性があるため、大きな課題となっています。 今回、MITの研究者からなる学際的なチームは、チップにダメージを与えない低温成長プロセスを開発した。 この技術により、2D 半導体トランジスタを標準のシリコン回路上に直接集積することができます。

これまで、研究者は他の場所で 2D 材料を成長させ、それをチップまたはウェーハ上に転写していました。 これにより、最終的なデバイスや回路の性能を妨げる不完全性が生じることがよくあります。 また、ウェーハスケールでは材料をスムーズに転写することが非常に困難になります。 対照的に、この新しいプロセスでは、8 インチのウェーハ全体に滑らかで均一性の高い層が成長します。

新しい技術により、これらの材料の成長にかかる時間を大幅に短縮することもできます。 以前のアプローチでは 2D 材料の単一層を成長させるのに 1 日以上必要でしたが、新しいアプローチでは 8 インチ ウェーハ全体に 1 時間以内に TMD 材料の均一な層を成長させることができます。

この新技術により、その高速性と均一性の高さにより、研究者らはこれまでに実証されているよりもはるかに大きな表面に 2D 材料層を統合することに成功しました。 これにより、彼らの方法は、8 インチ以上のウェーハが重要となる商業用途での使用により適したものになります。

「2D マテリアルの使用は、集積回路の密度を高める強力な方法です。私たちがやっていることは、高層ビルを建設するようなものです。従来のように 1 フロアしかない場合、多くの人を収容できません。しかし、 「フロアが増えると、建物にはより多くの人々が収容できるようになり、驚くべき新しいことを可能にすることができます。私たちが取り組んでいる異種統合のおかげで、最初のフロアとしてシリコンがあり、その上に 2D マテリアルの多くのフロアを直接統合することができます。」電気工学およびコンピューターサイエンスの大学院生であり、この新しい技術に関する論文の共同主著者である Jiadi Zhu 氏は次のように述べています。

Zhu 氏は、共同主著者で MIT 博士研究員の Ji-Hoon Park 氏とともに論文を執筆しました。 責任著者 Jing Kong 氏、電気工学およびコンピューターサイエンス (EECS) 教授、エレクトロニクス研究所のメンバー。 トマス・パラシオス氏はEECS教授でマイクロシステム技術研究所（MTL）所長。 MIT、MIT リンカーン研究所、オークリッジ国立研究所、エリクソン研究所の他の研究者も同様です。 この論文は本日 Nature Nanotechnology に掲載されました。

無限の可能性を秘めたスリム素材

研究者らが注目した 2D 材料である二硫化モリブデンは、柔軟性があり、透明であり、強力な電子特性と光子特性を示すため、半導体トランジスタに最適です。 これは、2 つの硫化原子の間に挟まれた 1 原子のモリブデン層で構成されています。

表面上に二硫化モリブデンの薄膜を均一性よく成長させることは、有機金属化学気相成長 (MOCVD) として知られるプロセスを通じて行われることがよくあります。 モリブデンと硫黄原子を含む 2 つの有機化合物であるモリブデン ヘキサカルボニルとジエチレン硫黄は、反応室内で蒸発して加熱され、そこでより小さな分子に「分解」します。 次に、それらは化学反応によって結合し、表面に二硫化モリブデンの鎖を形成します。

しかし、前駆体として知られるこれらのモリブデンと硫黄の化合物を分解するには摂氏 550 度を超える温度が必要ですが、温度が 400 度を超えるとシリコン回路が劣化し始めます。

そこで研究者らは、既成概念にとらわれずに考えることから始めました。有機金属化学蒸着プロセス用のまったく新しい炉を設計し、構築しました。

オーブンは 2 つのチャンバーで構成されており、前方のシリコンウェーハが置かれる低温領域と後方の高温領域です。 気化したモリブデンと硫黄前駆体がポンプで炉に送られます。 モリブデンは低温領域に留まり、温度は摂氏 400 度未満に保たれます。モリブデン前駆体が分解するほど高温ではありますが、シリコン チップが損傷するほど高温ではありません。

硫黄前駆体は高温領域に流れ込み、そこで分解します。 その後、低温領域に逆流して、ウェーハ表面に二硫化モリブデンを成長させる化学反応が起こります。

「分解については、黒コショウを作るのと同じように考えることができます。コショウの実を丸ごと粉砕して粉末状にします。そこで、コショウを高温領域で砕いて粉砕し、その後、粉末を低温領域に戻します。」地域です」と朱氏は説明する。

より速い成長とより優れた均一性

このプロセスに関する 1 つの問題は、シリコン回路の通常、最上層がアルミニウムまたは銅であるため、チップをプリント基板に実装する前にパッケージまたはキャリアに接続できることです。 しかし、一部の金属が酸素に触れると錆びて導電性が損なわれるのと同じように、硫黄はこれらの金属を硫化させます。 研究者らは、まずチップ上に非常に薄いパッシベーション材料の層を堆積することで硫化を防止した。 その後、パッシベーション層を開いて接続を確立できます。

彼らはまた、シリコンウェーハを炉の低温領域に水平ではなく垂直に配置しました。 垂直に置くことで両端が高温領域に近づきすぎないため、ウェーハの一部が熱でダメージを受けることがありません。 さらに、モリブデンと硫黄のガス分子は、水平面上を流れるのではなく、垂直のチップにぶつかるときに渦を巻きます。 この循環効果により二硫化モリブデンの成長が改善され、材料の均一性が向上します。

より均一な層が得られることに加えて、彼らの方法は他の MOCVD プロセスよりもはるかに高速でした。 通常、MOCVD 成長プロセスには少なくとも丸 1 日かかりますが、彼らは 1 時間未満で層を成長させることができました。

最先端の MIT.Nano 施設を使用して、8 インチのシリコン ウェーハ全体で材料の高い均一性と品質を実証することができました。これは、より大きなウェーハが必要な産業用途にとって特に重要です。

「成長時間を短縮することで、プロセスの効率が大幅に向上し、より簡単に工業製造に組み込むことができます。さらに、これはシリコンと互換性のある低温プロセスであり、2D材料を半導体業界にさらに押し込むのに役立ちます。 」と朱さんは言う。

研究者らは将来、技術を微調整し、それを使って 2D トランジスタの多数の積層層を成長させたいと考えています。 さらに、ポリマー、繊維、紙などの柔軟な表面に低温成長プロセスを使用することも検討したいと考えています。 これにより、衣服やノートなどの日常的な物体への半導体の統合が可能になる可能性がある。

「この研究は、単層二硫化モリブデン材料の合成技術において重要な進歩をもたらしました」と、ロバート・G・アンド・メアリー・G・レーン寄付早期キャリア委員長であり、電気工学およびコンピュータ工学、化学工学および材料科学の准教授であるHan Wang氏は述べています。南カリフォルニア大学はこの研究には関与していませんでした。 「8 インチスケールでの低熱バジェット成長という新機能により、この材料とシリコン CMOS 技術のバックエンド統合が可能になり、将来のエレクトロニクス用途への道が開かれます。」

この研究は、MIT 兵士ナノテクノロジー研究所、国立科学財団統合量子材料センター、エリクソン、MITRE、米国陸軍研究局、および米国エネルギー省から一部資金提供を受けています。 このプロジェクトは、TSMC University Shuttle の支援からも恩恵を受けました。

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