Insinyur 'menumbuhkan' transistor setipis atom di atas chip komputer

27 Apr 2023 (Berita Nanowerk) Muncul kecerdasan buatan Aplikasi (AI), seperti chatbot yang menghasilkan bahasa alami manusia, memerlukan chip komputer yang lebih padat dan bertenaga. Namun chip semikonduktor secara tradisional dibuat dengan bahan curah, yang merupakan struktur 3D berbentuk kotak, sehingga menumpuk beberapa lapisan transistor untuk menciptakan integrasi yang lebih padat sangatlah sulit. Namun, semikonduktor transistor terbuat dari ultra tipis Bahan 2D, masing-masing hanya memiliki ketebalan sekitar tiga atom, dapat ditumpuk untuk membuat chip yang lebih kuat. Untuk mencapai tujuan ini, para peneliti MIT kini telah mendemonstrasikan teknologi baru yang dapat “menumbuhkan” lapisan 2D secara efektif dan efisien dikalkogenida logam transisi (TMD) material langsung di atas chip silikon yang difabrikasi sepenuhnya untuk memungkinkan integrasi yang lebih padat. Menumbuhkan material 2D langsung ke wafer silikon CMOS menimbulkan tantangan besar karena prosesnya biasanya memerlukan suhu sekitar 600 derajat Celcius, sedangkan transistor dan sirkuit silikon dapat rusak bila dipanaskan di atas 400 derajat. Kini, tim peneliti interdisipliner MIT telah mengembangkan proses pertumbuhan suhu rendah yang tidak merusak chip. Teknologi ini memungkinkan transistor semikonduktor 2D diintegrasikan langsung di atas sirkuit silikon standar. Di masa lalu, para peneliti telah mengembangkan materi 2D di tempat lain dan kemudian mentransfernya ke dalam chip atau wafer. Hal ini sering kali menyebabkan ketidaksempurnaan yang menghambat kinerja perangkat dan sirkuit akhir. Selain itu, mentransfer materi dengan lancar menjadi sangat sulit pada skala wafer. Sebaliknya, proses baru ini menumbuhkan lapisan yang halus dan sangat seragam di seluruh wafer berukuran 8 inci. Teknologi baru ini juga mampu secara signifikan mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk menumbuhkan bahan-bahan tersebut. Meskipun pendekatan sebelumnya memerlukan lebih dari satu hari untuk menumbuhkan satu lapisan material 2D, pendekatan baru ini dapat menumbuhkan lapisan seragam material TMD dalam waktu kurang dari satu jam pada seluruh wafer berukuran 8 inci. Karena kecepatannya yang cepat dan keseragaman yang tinggi, teknologi baru ini memungkinkan para peneliti untuk berhasil mengintegrasikan lapisan material 2D ke permukaan yang jauh lebih besar daripada yang telah ditunjukkan sebelumnya. Hal ini membuat metode mereka lebih cocok untuk digunakan dalam aplikasi komersial, di mana wafer berukuran 8 inci atau lebih besar adalah kuncinya. “Menggunakan material 2D adalah cara ampuh untuk meningkatkan kepadatan sirkuit terpadu. Apa yang kami lakukan seperti membangun gedung bertingkat. Jika Anda hanya memiliki satu lantai, seperti yang lazim terjadi, lantai tersebut tidak akan dapat menampung banyak orang. Namun dengan lebih banyak lantai, gedung tersebut akan menampung lebih banyak orang yang dapat mewujudkan hal-hal baru yang menakjubkan. Berkat integrasi heterogen yang kami kerjakan, kami memiliki silikon sebagai lantai pertama dan kemudian kami dapat memiliki banyak lantai material 2D yang terintegrasi langsung di atasnya,” kata Jiadi Zhu, mahasiswa pascasarjana teknik elektro dan ilmu komputer dan salah satu penulis utama. makalah tentang teknik baru ini. Graduate student Jiadi Zhu holding an 8-inch CMOS wafer with molybdenum disulfide thin film. On the right is the furnace the researchers developed, which enabled them to “grow” a layer of molybdenum disulfide onto the wafer using a low-temperature process that did not damage the wafer. (Image: MIT) Zhu wrote the paper with co-lead-author Ji-Hoon Park, an MIT postdoc; corresponding authors Jing Kong, professor of electrical engineering and computer science (EECS) and a member of the Research Laboratory for Electronics; and Tomás Palacios, professor of EECS and director of the Microsystems Technology Laboratories (MTL); as well as others at MIT, MIT Lincoln Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, and Ericsson Research. The paper appears in Nanoteknologi Alam (“Low-thermal-budget synthesis of monolayer molybdenum disulfide for silicon back-end-of-line integration on a 200 mm platform”).

Bahan ramping dengan potensi besar

Bahan 2D yang menjadi fokus para peneliti, molibdenum disulfida, fleksibel, transparan, dan menunjukkan sifat elektronik dan fotonik yang kuat sehingga ideal untuk transistor semikonduktor. Ini terdiri dari lapisan satu atom molibdenum yang diapit di antara dua atom sulfida. Menumbuhkan lapisan tipis molibdenum disulfida pada permukaan dengan keseragaman yang baik sering kali dilakukan melalui proses yang dikenal sebagai deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD). Molibdenum heksakarbonil dan dietilen sulfur, dua senyawa kimia organik yang mengandung atom molibdenum dan sulfur, menguap dan dipanaskan di dalam ruang reaksi, di mana mereka “terurai” menjadi molekul yang lebih kecil. Kemudian mereka bergabung melalui reaksi kimia untuk membentuk rantai molibdenum disulfida di permukaan. Namun penguraian senyawa molibdenum dan belerang, yang dikenal sebagai prekursor, memerlukan suhu di atas 550 derajat Celcius, sementara sirkuit silikon mulai rusak ketika suhu melampaui 400 derajat. Jadi, para peneliti memulai dengan berpikir di luar kebiasaan – mereka merancang dan membangun tungku yang benar-benar baru untuk proses pengendapan uap kimia logam-organik. Oven terdiri dari dua ruang, bagian bersuhu rendah di bagian depan, tempat wafer silikon ditempatkan, dan bagian bersuhu tinggi di bagian belakang. Prekursor molibdenum dan sulfur yang diuapkan dipompa ke dalam tungku. Molibdenum tetap berada di wilayah bersuhu rendah, yang suhunya dijaga di bawah 400 derajat Celcius — cukup panas untuk menguraikan prekursor molibdenum tetapi tidak terlalu panas sehingga merusak chip silikon. Prekursor belerang mengalir ke wilayah bersuhu tinggi, di mana ia terurai. Kemudian mengalir kembali ke wilayah bersuhu rendah, di mana terjadi reaksi kimia untuk menumbuhkan molibdenum disulfida di permukaan wafer. “Anda dapat membayangkan dekomposisi seperti membuat lada hitam – Anda memiliki merica utuh dan menggilingnya menjadi bubuk. Jadi, kami menghancurkan dan menggiling lada di wilayah bersuhu tinggi, lalu bubuknya mengalir kembali ke wilayah bersuhu rendah,” jelas Zhu.

Pertumbuhan lebih cepat dan keseragaman lebih baik

Salah satu masalah dengan proses ini adalah sirkuit silikon biasanya memiliki aluminium atau tembaga sebagai lapisan atas sehingga chip dapat dihubungkan ke paket atau pembawa sebelum dipasang ke papan sirkuit cetak. Tapi belerang menyebabkan logam-logam ini tersulfurisasi, sama seperti beberapa logam berkarat ketika terkena oksigen, sehingga merusak konduktivitasnya. Para peneliti mencegah sulfurisasi dengan terlebih dahulu mendepositkan lapisan bahan pasivasi yang sangat tipis di atas chip. Kemudian mereka bisa membuka lapisan pasivasi untuk membuat koneksi. Mereka juga menempatkan wafer silikon ke dalam wilayah suhu rendah tungku secara vertikal, bukan secara horizontal. Dengan menempatkannya secara vertikal, tidak ada ujung yang terlalu dekat dengan daerah bersuhu tinggi, sehingga tidak ada bagian wafer yang rusak karena panas. Ditambah lagi, molekul molibdenum dan gas belerang berputar-putar saat bertabrakan dengan kepingan vertikal, bukan mengalir pada permukaan horizontal. Efek sirkulasi ini meningkatkan pertumbuhan molibdenum disulfida dan menghasilkan keseragaman material yang lebih baik. Selain menghasilkan lapisan yang lebih seragam, metode mereka juga jauh lebih cepat dibandingkan proses MOCVD lainnya. Mereka dapat menumbuhkan satu lapisan dalam waktu kurang dari satu jam, sedangkan biasanya proses pertumbuhan MOCVD memakan waktu setidaknya satu hari penuh. Dengan menggunakan fasilitas MIT.Nano yang canggih, mereka mampu menunjukkan keseragaman dan kualitas material yang tinggi pada wafer silikon berukuran 8 inci, yang sangat penting untuk aplikasi industri yang memerlukan wafer yang lebih besar. “Dengan mempersingkat waktu pertumbuhan, prosesnya jauh lebih efisien dan lebih mudah diintegrasikan ke dalam fabrikasi industri. Selain itu, ini adalah proses suhu rendah yang kompatibel dengan silikon, yang dapat berguna untuk mendorong material 2D lebih jauh ke dalam industri semikonduktor,” kata Zhu. Di masa depan, para peneliti ingin menyempurnakan teknik mereka dan menggunakannya untuk menumbuhkan banyak lapisan transistor 2D. Selain itu, mereka ingin mengeksplorasi penggunaan proses pertumbuhan suhu rendah untuk permukaan fleksibel, seperti polimer, tekstil, atau bahkan kertas. Hal ini memungkinkan integrasi semikonduktor ke objek sehari-hari seperti pakaian atau buku catatan. “Pekerjaan ini menghasilkan kemajuan penting dalam teknologi sintesis bahan molibdenum disulfida monolayer,” kata Han Wang, Ketua Karir Awal Robert G. dan Mary G. Lane dan Profesor Madya Teknik Listrik dan Komputer serta Teknik Kimia dan Ilmu Material di University of Southern California, yang tidak terlibat dengan penelitian ini. “Kemampuan baru dalam pertumbuhan anggaran termal yang rendah pada skala 8 inci memungkinkan integrasi back-end-of-line material ini dengan teknologi silikon CMOS dan membuka jalan bagi aplikasi elektroniknya di masa depan.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62907.php