TSMC kuria kelią į sub-1 nm tranzistorius su MoS2 lustams

Įsivaizduokite kanalo sluoksnį, tokį ploną, kad jo storis matuojamas vieno nanometro dalimis. Šiame mastelyje net menkiausi pokyčiai lemia, ar tranzistorius veiks sklandžiai, ar strigs. TSMC, bendradarbiaudama su Taivano NYCU, nesivaikė egzotiškų naujų medžiagų. Vietoj to ji perprojektavo tranzistoriaus paviršiaus chemiją.

Kodėl itin plonas aliuminio sluoksnis keičia taisykles

Šiuolaikiniai lustai talpina milijardus tranzistorių, naudodami 3D konstrukcijas, tokias kaip FinFET ir vartų iš visų pusių FET. Tokios architektūros padidina vartų kontakto plotą, apgaubdamos vartais iškilų kanalą. Sprendimas veikia gerai, kol kanalas tampa beveik neįtikėtinai plonas. Kanalams mažėjant iki 3-5 nanometrų, vartų valdymas silpnėja. Peržengus maždaug 3 nanometrų ribą, elektronai pradeda sąveikauti su vartų medžiagomis taip, kad didėja varža ir atsiranda srovės nuotėkis.

Čia patraukliai atrodo vieno sluoksnio dvimačiai puslaidininkiai, pavyzdžiui, molibdeno disulfidas (MoS2). Maždaug 0,7 nanometro storio MoS2 kanalas žada gerokai geresnį elektrostatinį valdymą ir mažesnį nuotėkį, todėl gamintojai gali siekti sub-1 nm vartų struktūrų ir itin trumpų kanalų. Tačiau itin plonas reiškia ir itin reiklus. Bandant nusodinti vartų dielektriką senuoju būdu, gaunamas šiurkštus, netolygus sluoksnis, kuris blogina našumą.

TSMC ir NYCU pažvelgė į problemą iš kitos pusės. Užuot kūrę visiškai naują dielektriką ar agresyvią nusodinimo chemiją taikę MoS2 paviršiui, jie pirmiausia suformavo paties kanalo paviršių. Komanda ant MoS2 nusodino epitaksinį vieno atomo storio aliuminio sluoksnį ir leido jam oksiduotis į tolygų aliuminio oksidą, kurio storis siekia vos 0,42 nanometro. Ant šio mikroskopiškai plono buferio buvo uždėtas didelės dielektrinės skvarbos hafnio oksido dielektrikas.

Rezultatas: itin lygus vartų sąsajos paviršius, kuris suvaldo nuotėkį ir pagerina elektronų srauto kontrolę. Bandymuose paviršiaus inžinerija pagrįsta struktūra užtikrino vartų valdymą ir mažesnę varžą, panašią į maždaug 1 nanometro dielektriko sprendimą, tačiau kartu išlaikė MoS2 kanalo pranašumus.

Privalumai akivaizdūs, tačiau lieka ir praktinių klausimų. Masinė gamyba vis dar reikalauja pakartojamos, švarios epitaksijos ir integracijos į galinius lustų gamybos procesus. Vis dėlto šis metodas padeda išvengti daugelio medžiagų kompromisų, su kuriais ilgai kovojo lustų gamintojai, ir siūlo praktišką kelią link tankesnių bei spartesnių loginių įrenginių.

Šis paviršiaus inžinerijos sprendimas gali tapti praktiniu tiltu į masiškai gaminamus sub-1 nm tranzistorius ir naują puslaidininkių mastelio mažinimo etapą.