コンピューティング革命：原子スケール半導体チップの台頭

約60年にわたる情報時代が、インターネット、スマートフォン、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、コンピューターチップに搭載できるトランジスタ数が約2年ごとに倍増し、現在では爪大のチップに数十億個の原子スケールトランジスタが収まるようになったことです。このような「原子スケール」長さは極めて微小で、個々の原子が見え、数えられるレベルです。

この倍増が物理的限界に急速に近づく中、米国エネルギー省（DOE）プリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）が業界の取り組みに加わり、プロセスを延伸し、より高性能・効率的・コスト効率の良いチップ製造の新たな方法を開発しています。研究所の科学者たちは、共同研究開発協定（CRADA）の下、世界的チップ製造装置サプライヤーであるラムリサーチ社との最初のPPPL研究において、原子スケールチップ製造の重要ステップをモデリングで精密に予測することに成功しました。

「これは全プロセスの小さな一つのピースに過ぎません」と、低温プラズマ表面相互作用担当副所長、デビッド・グレーブス教授（共著者）。『Journal of Vacuum Science & Technology B』に発表された論文で概説された知見について、「モデリングで得られた洞察はあらゆる良いことにつながり得ます。だからこそ、研究所でのこの取り組みには期待が持てます。」

縮小がそれほど長くは続かない一方で、「まだ完全に終わりではありません」と同氏。「業界はこれまで主に経験的手法で革新的新プロセスを開発してきましたが、より深い根本的理解がこのプロセスを加速させます。基礎研究には時間と専門知識が必要で、業界が常にそれらを持っているわけではありません。これが研究所がこの仕事を引き受ける強力なインセンティブを生んでいます。」

PPPL科学者たちは、「原子層エッチング」（ALE）と呼ばれるプロセスをモデリングしました。これは、表面から単一原子層を一度に一層ずつ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。このプロセスは、人間の髪の毛の数千分の一というクリティカル寸法を持つ複雑な三次元構造を、シリコンウェハー上の薄膜にエッチングするのに使用できます。

「シミュレーションは実験と第一段階として基本的に一致し、ALEの原子スケールエッチングへの利用について理解を改善することにつながる可能性があります」と、PPPLポスドク研究員、ジョセフ・ベラ氏（論文筆頭著者）。理解が深まれば、PPPLはALE中に生じる表面損傷の程度や粗さの度合いなどを調査可能になります。「これはすべて、原子層エッチングの基礎理解を構築することから始まります。」

モデルは、塩素ガスとアルゴンプラズマイオンの順次使用をシミュレートし、原子スケールでシリコンエッチプロセスを制御しました。プラズマ——電離ガス——は自由電子、正に帯電したイオン、中性分子の混合物です。半導体デバイス処理で使用されるプラズマは常温近く、核融合実験で用いられる超高温プラズマとは対照的です。

「ラムリサーチからの驚くべき経験的発見は、イオンエネルギーを我々が最初に設定したものよりかなり高くしたとき、ALEプロセスが特に効果的になることでした」とグレーブス氏。「それが次のシミュレーション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き、なぜそれほどうまくいくのかを理解できるかどうか。」

今後、「半導体業界全体が材料とデバイスタイプの大幅な拡張を検討しており、この拡張も原子スケール精度で処理する必要があります」と同氏。「米国の目標は、科学を用いて重要な産業問題に取り組む世界のリーダーになることです。我々の仕事はその一部です。」