原子スケールの半導体チップ—限界を押し上げる

60年近くにわたって作成された情報化時代は、インターネット、スマートフォン、および超高速コンピューターを世界にもたらしました。これを可能にしたのは、およそ2年ごとにコンピューターチップにパックできるトランジスターの数が2倍になり、指の爪サイズのチップに収まる数十億の原子スケールのトランジスターが生まれたということです。このような「原子スケール」の長さは非常に小さいため、個々の原子を表示して数えることができます。

この倍増が現在急速に物理的限界に近づいているため、米国エネルギー省（DOE）のプリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）は、プロセスを拡張し、これまで以上に能力があり、効率的で、費用効果の高い新しい方法を開発するための業界の取り組みに参加しました。チップ。実験室の科学者は、チップ製造装置の世界的なサプライヤーであるLam Research Corp.との共同研究開発契約（CRADA）に基づく最初のPPPL研究において、モデリングを通じて、原子スケールのチップ製造における重要なステップを正確に予測しました。 。

「これは、プロセス全体の1つの小さな部分になります」と、低温プラズマ表面相互作用の副研究所長であり、 Journal of Vacuum Science＆Technologyの調査結果を概説する論文の共著者であるDavidGraves教授は述べています。 B 。モデリングを通じて得られた洞察は、「あらゆる種類の良いことにつながる可能性があります。そのため、ラボでのこの取り組みにはある程度の期待が寄せられています。」

収縮はこれ以上長く続くことはできませんが、「完全には終わりに達していません」と彼は言いました。 「業界はこれまで、主に経験的な方法を使用して革新的な新しいプロセスを開発することに成功してきましたが、より深い基本的な理解がこのプロセスをスピードアップします。基礎研究には時間がかかり、業界が常に持っているとは限らない専門知識が必要です」と彼は言いました。 「これは、研究所が仕事を引き受けるための強力なインセンティブを生み出します。」

PPPLの科学者たちは、「原子層エッチング」（ALE）と呼ばれるものをモデル化しました。これは、表面から一度に1つの原子層を除去することを目的としたますます重要になる製造ステップです。このプロセスを使用して、人間の髪の毛よりも数千倍薄い限界寸法を持つ複雑な3次元構造をシリコンウェーハ上のフィルムにエッチングすることができます。

「シミュレーションは基本的に最初のステップとして実験に同意し、原子スケールのエッチングにALEを使用することについての理解を深めることができます」とPPPLのポスドクでジャーナル論文の筆頭著者であるJosephVellaは述べています。理解が深まると、PPPLは、ALE中に発生した表面損傷の程度や粗さの程度などを調査できるようになります。「これはすべて、原子層エッチングの基本的な理解を深めることから始まります。」

このモデルは、塩素ガスとアルゴンプラズマイオンを順次使用して、シリコンエッチングプロセスを原子スケールで制御することをシミュレートしました。プラズマ（イオン化ガス）は、自由電子、正に帯電したイオン、および中性分子からなる混合物です。核融合実験で使用される超高温プラズマとは対照的に、半導体デバイスの処理で使用されるプラズマは室温に近いです。

「ラムリサーチからの驚くべき経験的発見は、イオンエネルギーが私たちが始めたものよりもかなり高いときにALEプロセスが特に効果的になったということでした」とグレイブスは言いました。 「これがシミュレーションの次のステップになります。イオンエネルギーがはるかに高いときに何が起こっているのか、なぜそれが非常に優れているのかを理解できるかどうかを確認します。」

将来的には、「半導体業界全体で、使用する材料やデバイスの種類の大幅な拡大を検討しており、この拡大も原子スケールの精度で処理する必要があります」と彼は語った。 「米国の目標は、科学を使用して重要な産業問題に取り組むことで世界をリードすることです。そして、私たちの仕事はその一部です。」