El transistor 3D más pequeño del mundo reduce tamaño a menos del 50%

Investigadores del MIT y la Universidad de Colorado han fabricado un transistor 3D que tiene menos de la mitad del tamaño de los modelos comerciales más pequeños de la actualidad.

Para ello, desarrollaron una nueva técnica de microfabricación que modifica el material semiconductor átomo a átomo.

La inspiración detrás del trabajo fue mantenerse al día con la Ley de Moore, una observación realizada en la década de 1960 de que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años. Para adherirse a esta “regla de oro” de la electrónica, los investigadores están constantemente encontrando formas de meter tantos transistores como sea posible en los microchips. La tendencia más reciente es la de los transistores 3-D que se colocan verticalmente, como las aletas, y miden unos 7 nanómetros de ancho, decenas de miles de veces más delgados que un cabello humano. Decenas de miles de millones de estos transistores pueden caber en un solo microchip, que es aproximadamente del tamaño de una uña.

Como se describe en un documento presentado en la reunión internacional de dispositivos electrónicos de IEEE de esta semana, los investigadores modificaron una técnica de grabado químico recientemente inventado, llamada grabado térmico a nivel atómico (ALE térmico), para permitir la modificación de precisión de los materiales semiconductores en el nivel atómico. Usando esa técnica, los investigadores fabricaron transistores 3-D que son tan estrechos como 2,5 nanómetros y más eficientes que sus contrapartes comerciales.

Hoy en día existen métodos similares de grabado a nivel atómico, pero la nueva técnica es más precisa y produce transistores de mayor calidad. Además, reutiliza una herramienta de microfabricación común utilizada para depositar capas atómicas sobre materiales, lo que significa que podría integrarse rápidamente. Según los investigadores, esto podría permitir chips de computadora con muchos más transistores y mayor rendimiento.

“Creemos que este trabajo tendrá un gran impacto en el mundo real”, dice el primer autor Wenjie Lu, un estudiante graduado en Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT. “A medida que la Ley de Moore continúa reduciendo el tamaño de los transistores, es más difícil fabricar tales dispositivos a nanoescala. Para diseñar transistores más pequeños, necesitamos poder manipular los materiales con una precisión de nivel atómico”.
La microfabricación implica la deposición (película en crecimiento sobre un sustrato) y el grabado (patrones de grabado en la superficie). Para formar transistores, la superficie del sustrato se expone a la luz a través de fotomáscaras con la forma y estructura del transistor. Todo el material expuesto a la luz se puede grabar con productos químicos, mientras que el material oculto detrás de la fotomáscara permanece.

Las técnicas más modernas para microfabricación se conocen como deposición de capa atómica (ALD) y grabado de capa atómica (ALE). En ALD, dos productos químicos se depositan sobre la superficie del sustrato y reaccionan entre sí en un reactor de vacío para formar una película del espesor deseado, una capa atómica a la vez.

Las técnicas tradicionales de ALE utilizan plasma con iones altamente energéticos que eliminan átomos individuales en la superficie del material. Pero estos causan daños en la superficie. Estos métodos también exponen el material al aire, donde la oxidación causa defectos adicionales que dificultan el rendimiento.

En 2016, el equipo de la Universidad de Colorado inventó ALE térmica, una técnica que se parece mucho a ALD y se basa en una reacción química llamada “intercambio de ligandos”. En este proceso, un ión en un compuesto llamado ligando, que se une a los átomos metálicos, se reemplaza por un ligando en un compuesto diferente. Cuando los productos químicos se eliminan, la reacción hace que los ligandos de reemplazo eliminen átomos de la superficie. Todavía en su infancia, el ALE térmico, hasta el momento, solo se ha utilizado para grabar óxidos.

En este nuevo trabajo, los investigadores modificaron el ALE térmico para trabajar en un material semiconductor, utilizando el mismo reactor reservado para ALD. Utilizaron un material semiconductor aleado, llamado arseniuro de galio e indio (o InGaAs), que cada vez es más elogiado como una alternativa más rápida y eficiente al silicio.

Los investigadores expusieron el material al fluoruro de hidrógeno, el compuesto utilizado para el trabajo térmico original de ALE, que forma una capa atómica de fluoruro metálico en la superficie. Luego, vertieron un compuesto orgánico llamado cloruro de dimetilaluminio (DMAC). El proceso de intercambio de ligandos ocurre en la capa de fluoruro metálico. Cuando se purga el DMAC, siguen los átomos individuales.

La técnica se repite a lo largo de cientos de ciclos. En un reactor separado, los investigadores depositaron la “puerta”, el elemento metálico que controla los transistores para encenderlos o apagarlos.

En experimentos, los investigadores eliminaron solo 0,02 nanómetros de la superficie del material a la vez. “Estás pelando una cebolla, capa por capa”, dice Lu. “En cada ciclo, podemos grabar solo el 2 por ciento de un nanómetro de un material. Eso nos da una precisión superalta y control cuidadoso del proceso”.

Fuente: EP