Ingenieros del MIT "cultivan" transistores atómicamente delgados sobre chips de computadora

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Las aplicaciones emergentes de IA, como los chatbots que generan lenguaje humano natural, exigen chips informáticos más densos y potentes. Pero los chips semiconductores se fabrican tradicionalmente con materiales a granel, que son estructuras cuadradas en 3D, por lo que es muy difícil apilar varias capas de transistores para crear integraciones más densas.

Sin embargo, los transistores semiconductores hechos de materiales 2D ultrafinos, cada uno con un grosor de solo tres átomos, podrían apilarse para crear chips más potentes. Con este fin, los investigadores del MIT ahora han demostrado una tecnología novedosa que puede "hacer crecer" de manera efectiva y eficiente capas de materiales de dicalcogenuro de metal de transición (TMD) 2D directamente sobre un chip de silicio completamente fabricado para permitir integraciones más densas.

El crecimiento de materiales 2D directamente en una oblea CMOS de silicio ha planteado un gran desafío porque el proceso generalmente requiere temperaturas de alrededor de 600 grados centígrados, mientras que los transistores y circuitos de silicio podrían romperse cuando se calientan por encima de los 400 grados. Ahora, el equipo interdisciplinario de investigadores del MIT ha desarrollado un proceso de crecimiento a baja temperatura que no daña el chip. La tecnología permite que los transistores semiconductores 2D se integren directamente sobre los circuitos de silicio estándar.

En el pasado, los investigadores cultivaron materiales 2D en otros lugares y luego los transfirieron a un chip o una oblea. Esto a menudo provoca imperfecciones que dificultan el rendimiento de los dispositivos y circuitos finales. Además, transferir el material sin problemas se vuelve extremadamente difícil a escala de oblea. Por el contrario, este nuevo proceso produce una capa suave y muy uniforme en toda una oblea de 8 pulgadas.

La nueva tecnología también puede reducir significativamente el tiempo que lleva cultivar estos materiales. Mientras que los enfoques anteriores requerían más de un día para hacer crecer una sola capa de materiales 2D, el nuevo enfoque puede hacer crecer una capa uniforme de material TMD en menos de una hora en obleas completas de 8 pulgadas.

Debido a su alta velocidad y alta uniformidad, la nueva tecnología permitió a los investigadores integrar con éxito una capa de material 2D en superficies mucho más grandes de lo que se había demostrado anteriormente. Esto hace que su método sea más adecuado para su uso en aplicaciones comerciales, donde las obleas de 8 pulgadas o más son clave.

"El uso de materiales 2D es una forma poderosa de aumentar la densidad de un circuito integrado. Lo que estamos haciendo es como construir un edificio de varios pisos. Si tiene un solo piso, que es el caso convencional, no albergará a muchas personas. Pero con más pisos, el edificio albergará a más personas que pueden permitir cosas nuevas y sorprendentes. Gracias a la integración heterogénea en la que estamos trabajando, tenemos silicio como primer piso y luego podemos tener muchos pisos de materiales 2D integrados directamente en la parte superior". dice Jiadi Zhu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y coautor principal de un artículo sobre esta nueva técnica.

Zhu escribió el artículo con el coautor principal Ji-Hoon Park, un postdoctorado del MIT; autores correspondientes Jing Kong, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica; y Tomás Palacios, profesor de EECS y director de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL); así como otros en MIT, MIT Lincoln Laboratory, Oak Ridge National Laboratory y Ericsson Research. El artículo aparece hoy en Nature Nanotechnology.

Materiales delgados con un gran potencial

El material 2D en el que se centraron los investigadores, el disulfuro de molibdeno, es flexible, transparente y exhibe poderosas propiedades electrónicas y fotónicas que lo hacen ideal para un transistor semiconductor. Está compuesto por una capa de un átomo de molibdeno intercalada entre dos átomos de sulfuro.

El crecimiento de películas delgadas de disulfuro de molibdeno en una superficie con buena uniformidad a menudo se logra a través de un proceso conocido como deposición de vapor químico orgánico-metálico (MOCVD). El hexacarbonilo de molibdeno y el azufre de dietilen, dos compuestos químicos orgánicos que contienen átomos de molibdeno y azufre, se vaporizan y se calientan dentro de la cámara de reacción, donde se "descomponen" en moléculas más pequeñas. Luego se unen a través de reacciones químicas para formar cadenas de disulfuro de molibdeno en una superficie.

Pero la descomposición de estos compuestos de molibdeno y azufre, que se conocen como precursores, requiere temperaturas superiores a los 550 grados centígrados, mientras que los circuitos de silicio comienzan a degradarse cuando las temperaturas superan los 400 grados.

Entonces, los investigadores comenzaron pensando fuera de la caja: diseñaron y construyeron un horno completamente nuevo para el proceso de deposición de vapor químico orgánico-metal.

El horno consta de dos cámaras, una región de baja temperatura en la parte delantera, donde se coloca la oblea de silicio, y una región de alta temperatura en la parte posterior. Los precursores de molibdeno y azufre vaporizados se bombean al horno. El molibdeno permanece en la región de baja temperatura, donde la temperatura se mantiene por debajo de los 400 grados centígrados, lo suficientemente caliente como para descomponer el precursor de molibdeno, pero no tanto como para dañar el chip de silicio.

El precursor de azufre fluye hacia la región de alta temperatura, donde se descompone. Luego fluye de regreso a la región de baja temperatura, donde ocurre la reacción química para hacer crecer el disulfuro de molibdeno en la superficie de la oblea.

"Puede pensar en la descomposición como hacer pimienta negra: tiene un grano de pimienta entero y lo muele en forma de polvo. Entonces, trituramos y molemos la pimienta en la región de alta temperatura, luego el polvo fluye de regreso a la región de baja temperatura. región", explica Zhu.

Crecimiento más rápido y mejor uniformidad.

Un problema con este proceso es que los circuitos de silicio suelen tener aluminio o cobre como capa superior para que el chip se pueda conectar a un paquete o soporte antes de montarlo en una placa de circuito impreso. Pero el azufre hace que estos metales se sulfuren, de la misma manera que algunos metales se oxidan cuando se exponen al oxígeno, lo que destruye su conductividad. Los investigadores evitaron la sulfuración depositando primero una capa muy delgada de material de pasivación sobre el chip. Luego, más tarde podrían abrir la capa de pasivación para hacer conexiones.

También colocaron la oblea de silicio en la región de baja temperatura del horno verticalmente, en lugar de horizontalmente. Al colocarlo verticalmente, ninguno de los extremos está demasiado cerca de la región de alta temperatura, por lo que el calor no daña ninguna parte de la oblea. Además, las moléculas de gas de molibdeno y azufre se arremolinan cuando chocan contra el chip vertical, en lugar de fluir sobre una superficie horizontal. Este efecto de circulación mejora el crecimiento del disulfuro de molibdeno y conduce a una mejor uniformidad del material.

Además de producir una capa más uniforme, su método también fue mucho más rápido que otros procesos MOCVD. Podrían hacer crecer una capa en menos de una hora, mientras que normalmente el proceso de crecimiento de MOCVD lleva al menos un día entero.

Utilizando las instalaciones de última generación de MIT.Nano, pudieron demostrar una alta uniformidad y calidad del material en una oblea de silicio de 8 pulgadas, lo cual es especialmente importante para las aplicaciones industriales donde se necesitan obleas más grandes.

"Al acortar el tiempo de crecimiento, el proceso es mucho más eficiente y podría integrarse más fácilmente en las fabricaciones industriales. Además, este es un proceso de baja temperatura compatible con el silicio, que puede ser útil para impulsar los materiales 2D en la industria de los semiconductores. ", dice Zhu.

En el futuro, los investigadores quieren afinar su técnica y usarla para hacer crecer muchas capas apiladas de transistores 2D. Además, quieren explorar el uso del proceso de crecimiento a baja temperatura para superficies flexibles, como polímeros, textiles o incluso papeles. Esto podría permitir la integración de semiconductores en objetos cotidianos como ropa o cuadernos.

"Este trabajo supuso un avance importante en la tecnología de síntesis de material de disulfuro de molibdeno de una sola capa", dice Han Wang, presidente de Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career y profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática e ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad del Sur de California, que no participó en esta investigación. "La nueva capacidad de crecimiento de bajo presupuesto térmico en una escala de 8 pulgadas permite la integración final de línea de este material con la tecnología CMOS de silicio y allana el camino para su futura aplicación electrónica".

Este trabajo está parcialmente financiado por el Instituto MIT para Nanotecnologías de Soldados, el Centro de la Fundación Nacional de Ciencias para Materiales Cuánticos Integrados, Ericsson, MITRE, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU. El proyecto también se benefició del apoyo de TSMC University Shuttle.

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