2.5納米！工程師已製造出迄今最小的三維晶體管！
麻省理工學院(MIT)和科羅拉多大學(University of Colorado)的研究人員製造了一種三維晶體管，其尺寸不到當今最小商業模型的一半。為此，他們開發了一種新的微加工技術，可以一個原子一個原子地改變半導體材料。這項工作的靈感來自於摩爾定律，摩爾定律在20世紀60年代提出，集成電路上的晶體管數量每兩年就會翻一番。為了遵循電子的「黃金法則」，研究人員不斷地尋找方法，將儘可能多的晶體管塞到微晶元上。最新的趨勢是垂直放置的三維晶體管，就像鰭一樣，寬約7納米——比人的頭髮細數萬倍。數以百億計的晶體管可以裝在一個指甲大小的微型晶元上。
博科園-科學科普：正如本周在IEEE國際電子器件會議上發表的一篇論文所述：研究人員對最近發明的一種化學蝕刻技術進行了改進，稱為熱原子級蝕刻(thermal atomic level etching，簡稱熱ALE)，以便在原子級上對半導體材料進行精確的修改。利用這項技術，研究人員製作了2.5納米寬的3d晶體管，比商業晶體管效率更高。目前也有類似的原子級刻蝕方法，但這種新技術更精確，而且能生產出更高質量的晶體管。此外它重新利用了一種用於在材料上沉積原子層的普通微加工工具，這意味著它可以快速集成。這將使計算機晶元具有更多的晶體管和更好的性能。
麻省理工學院(MIT)的研究人員利用一種新的製造技術，製造出了一種三維晶體管，其寬度不到當今最薄商業模型寬度的一半，這可能有助於將更多的晶體管塞到單個電腦晶元上，上圖是研究人員的一個晶體管的橫截面，它只有不到3納米寬。圖片：Massachusetts Institute of Technology
麻省理工學院微系統技術實驗室(MTL)的研究生、第一作者盧文傑(Wenjie Lu)說：我們相信這項工作將對現實世界產生巨大影響。隨著摩爾定律繼續縮小晶體管的尺寸，製造這種納米級器件變得更加困難。為了設計更小的晶體管，我們需要能夠以原子級的精度操縱材料。和盧一起發表這篇論文的還有:Jesus a . del Alamo，他是電氣工程和計算機科學教授，也是Xtreme晶體管小組的負責人，也是一名MTL研究員;剛從MIT畢業的Lisa Kong 18;麻省理工博士後Alon Vardi;還有傑西卡·莫扎克，喬納斯·格奇，以及科羅拉多大學的史蒂芬·喬治教授。
一個原子一個原子地
微加工包括沉積(在基底上生長的薄膜)和蝕刻(在表面上雕刻圖案)。為了形成晶體管，基片表面通過帶有晶體管形狀和結構的光掩膜接觸到光。所有暴露在光線下的材料都可以用化學物質蝕刻掉，而隱藏在光掩膜後面的材料則可以保留下來。目前最先進的微加工技術是原子層沉積(ALD)和原子層蝕刻(ALE)。在ALD中，兩種化學物質沉積在基體表面，在真空反應器中相互反應，形成所需厚度的薄膜，一次一原子層。傳統的ALE技術使用等離子體和高能離子，這些離子可以剝離材料表面的單個原子。但這些會造成表面損傷。這些方法還將材料暴露在空氣中，氧化會導致其他缺陷，影響性能。
2016年科羅拉多大學(University of Colorado)的研究小組發明了熱麥芽酒(thermal ALE)，這種技術與ALD非常相似，依賴於一種名為「配體交換」(ligand exchange)的化學反應。在這個過程中，一種叫做配體的化合物中的離子與金屬原子結合，被另一種化合物中的配體取代。當化學物質被清除時，反應導致取代配體從表面剝離單個原子。熱麥芽酒還處於起步階段，迄今為止只被用於蝕刻氧化物。在這項新工作中，研究人員使用與ALD相同的反應器，對熱ALE進行了修改，使其在半導體材料上工作。他們使用了一種被稱為銦鎵砷化物(或InGaAs)的合金化半導體材料，這種材料正日益被譽為硅的更快、更有效的替代品。
研究人員將這種材料暴露在氟化氫中，氟化氫是用於最初熱敏ALE工作的化合物，它在表面形成金屬氟化物的原子層。然後加入一種叫做二甲基氯化鋁(DMAC)的有機化合物。配體交換過程發生在金屬氟化物層上。當DMAC被清除時，單個原子也隨之清除。這項技術重複了數百次。在一個單獨的反應器中，研究人員然後沉積「柵極」，一種控制晶體管開關的金屬元素。在實驗中研究人員一次只從材料表面移除0.02納米。就像剝洋蔥，一層一層地剝，在每個循環中只能蝕刻掉2%的納米材料。這給了超高的精確度和對過程的細緻控制。因為這項技術與ALD非常相似，可以將這種熱ALE集成到處理沉積的同一個反應器中，只需要「對沉積工具進行小的重新設計，以處理蝕刻後立即沉積的新氣體」，這對工業界非常有吸引力。
更薄、更好的「鰭」
利用這項技術，研究人員製作了用於當今許多商業電子設備的三維晶體管finfts。finfet由一層薄薄的硅「鰭」組成，垂直放置在基片上。門基本上是圍繞著鰭的，因為它們是垂直的形狀，所以任何地方都可以把70億到300億的鰭片擠壓到晶元上。今年，蘋果、高通等科技公司開始使用7納米FinFETs。大多數研究人員的finfet測量寬度在5納米以下(這是整個行業的一個理想閾值)，高度在220納米左右。此外這種技術限制了材料暴露在由氧氣引起的缺陷中，從而降低了晶體管的效率。
該設備在「跨導」方面的性能比傳統finfet高出60%左右，晶體管將輸入的小電壓轉換為柵極輸出的電流，柵極開關晶體管，以處理驅動計算的1s (on)和0s (off)。跨導測量轉換電壓需要多少能量。限制缺陷也會導致更高的開關對比度，理想情況下，當晶體管打開時，你希望有大電流流過，以便處理繁重的計算，當晶體管關閉時，你希望幾乎沒有電流流過，以節省能源。這種對比對於製造高效的邏輯交換機和非常高效的微處理器至關重要，到目前為止在FinFETs中擁有最好的比例。
博科園-科學科普｜研究/來自：麻省理工學院
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