ブログ

Mar 06, 2023

MIT エンジニアが Atom で半導体チップ技術に革命を起こす

Scritto da Adam Zee, Massachusetts Institute of Technology, 1 maggio 2023 Ricercatore del MIT

マサチューセッツ工科大学アダ​​ム・ゼー著 2023 年 5 月 1 日

MITの研究者らは、2D材料をシリコン回路上に統合する低温成長技術を革新し、より高密度で強力なチップへの道を切り開いた。 この新しい方法では、シリコン チップ上に直接 2D 遷移金属ダイカルコゲニド (TMD) 材料の層を成長させます。このプロセスには通常、シリコンに損傷を与える可能性がある高温が必要です。

新しい低温成長および製造技術により、2D 材料をシリコン回路上に直接統合できるようになり、より高密度で強力なチップが実現される可能性があります。

Researchers from MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT have developed a low-temperature growth process to directly integrate 2D materials onto silicon chips, enabling denser and more powerful semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">半導体。 この技術は、高温や材料転写の不完全性に関連するこれまでの課題を回避します。 また、成長時間を短縮し、より大きな 8 インチのウェーハ全体に均一な層を形成できるため、商業用途に最適です。

人間の自然言語を生成するチャットボットなどの新たな AI アプリケーションには、より高密度で強力なコンピューター チップが必要です。 しかし、半導体チップは伝統的に箱状の 3D 構造であるバルク材料で作られているため、複数のトランジスタ層を積層してより高密度の集積を実現することは非常に困難です。

しかし、それぞれの厚さがわずか原子 3 個ほどの極薄 2D 材料で作られた半導体トランジスタを積み重ねて、より強力なチップを作成することができます。 この目的を達成するために、MITの研究者らは今回、完全に製造されたシリコンチップ上に2D遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）材料の層を効果的かつ効率的に「成長」させ、より高密度な集積を可能にする新しい技術を実証した。

Growing 2D materials directly onto a silicon CMOS wafer has posed a major challenge because the process usually requires temperatures of about 600 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">一方、シリコンのトランジスタや回路は 400 度以上に加熱されると故障する可能性があります。 今回、MITの研究者からなる学際的なチームは、チップにダメージを与えない低温成長プロセスを開発した。 この技術により、2D 半導体トランジスタを標準のシリコン回路上に直接集積することができます。

二硫化モリブデン薄膜を備えた 8 インチ CMOS ウェハーを持つ大学院生の Jiadi Zhu さん。 右側は研究者らが開発した炉で、ウェーハに損傷を与えない低温プロセスを使用してウェーハ上に二硫化モリブデンの層を「成長」させることができました。 クレジット: 研究者提供

これまで、研究者は他の場所で 2D 材料を成長させ、それをチップまたはウェーハ上に転写していました。 これにより、最終的なデバイスや回路の性能を妨げる不完全性が生じることがよくあります。 また、ウェーハスケールでは材料をスムーズに転写することが非常に困難になります。 対照的に、この新しいプロセスでは、8 インチのウェーハ全体に滑らかで均一性の高い層が成長します。

新しい技術により、これらの材料の成長にかかる時間を大幅に短縮することもできます。 以前のアプローチでは 2D 材料の単一層を成長させるのに 1 日以上必要でしたが、新しいアプローチでは 8 インチ ウェーハ全体に 1 時間以内に TMD 材料の均一な層を成長させることができます。

この新技術により、その高速性と均一性の高さにより、研究者らはこれまでに実証されているよりもはるかに大きな表面に 2D 材料層を統合することに成功しました。 これにより、彼らの方法は、8 インチ以上のウェーハが重要となる商業用途での使用により適したものになります。

「2D マテリアルの使用は、集積回路の密度を高める強力な方法です。私たちがやっていることは、高層ビルを建設するようなものです。従来のように 1 フロアしかない場合、多くの人を収容できません。しかし、 「フロアが増えると、建物にはより多くの人々が収容できるようになり、驚くべき新しいことを可能にすることができます。私たちが取り組んでいる異種統合のおかげで、最初のフロアとしてシリコンがあり、その上に 2D マテリアルの多くのフロアを直接統合することができます。」電気工学およびコンピューターサイエンスの大学院生であり、この新しい技術に関する論文の共同主著者である Jiadi Zhu 氏は次のように述べています。

Zhu 氏は、共同主著者で MIT 博士研究員の Ji-Hoon Park 氏とともに論文を執筆しました。 責任著者 Jing Kong 氏、電気工学およびコンピューターサイエンス (EECS) 教授、エレクトロニクス研究所のメンバー。 トマス・パラシオス氏はEECS教授でマイクロシステム技術研究所（MTL）所長。 MIT、MIT リンカーン研究所、オークリッジ国立研究所、エリクソン研究所の他の研究者も同様です。 この論文は4月27日付けでNature Nanotechnology誌に掲載された。

The 2D material the researchers focused on, molybdenum disulfide, is flexible, transparent, and exhibits powerful electronic and photonic properties that make it ideal for a semiconductor transistor. It is composed of a one-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">2つの硫化物原子の間に挟まれたモリブデンの原子層。

表面上に二硫化モリブデンの薄膜を均一性よく成長させることは、有機金属化学気相成長 (MOCVD) として知られるプロセスを通じて行われることがよくあります。 モリブデンと硫黄原子を含む 2 つの有機化合物であるモリブデン ヘキサカルボニルとジエチレン硫黄は、反応室内で蒸発して加熱され、そこでより小さな分子に「分解」します。 次に、それらは化学反応によって結合し、表面に二硫化モリブデンの鎖を形成します。

しかし、前駆体として知られるこれらのモリブデンと硫黄の化合物を分解するには摂氏 550 度を超える温度が必要ですが、温度が 400 度を超えるとシリコン回路が劣化し始めます。

そこで研究者らは、既成概念にとらわれずに考えることから始めました。有機金属化学蒸着プロセス用のまったく新しい炉を設計し、構築しました。

オーブンは 2 つのチャンバーで構成されており、前方のシリコンウェーハが置かれる低温領域と後方の高温領域です。 気化したモリブデンと硫黄前駆体がポンプで炉に送られます。 モリブデンは低温領域に留まり、温度は摂氏 400 度未満に保たれます。モリブデン前駆体が分解するほど高温ではありますが、シリコン チップが損傷するほど高温ではありません。

硫黄前駆体は高温領域に流れ込み、そこで分解します。 その後、低温領域に逆流して、ウェーハ表面に二硫化モリブデンを成長させる化学反応が起こります。

「分解については、黒コショウを作るのと同じように考えることができます。コショウの実を丸ごと粉砕して粉末状にします。そこで、コショウを高温領域で砕いて粉砕し、その後、粉末を低温領域に戻します。」地域です」と朱氏は説明する。

このプロセスに関する 1 つの問題は、シリコン回路の通常、最上層がアルミニウムまたは銅であるため、チップをプリント基板に実装する前にパッケージまたはキャリアに接続できることです。 しかし、一部の金属が酸素に触れると錆びて導電性が損なわれるのと同じように、硫黄はこれらの金属を硫化させます。 研究者らは、まずチップ上に非常に薄いパッシベーション材料の層を堆積することで硫化を防止した。 その後、パッシベーション層を開いて接続を確立できます。

彼らはまた、シリコンウェーハを炉の低温領域に水平ではなく垂直に配置しました。 垂直に置くことで両端が高温領域に近づきすぎないため、ウェーハの一部が熱でダメージを受けることがありません。 さらに、モリブデンと硫黄のガス分子は、水平面上を流れるのではなく、垂直のチップにぶつかるときに渦を巻きます。 この循環効果により二硫化モリブデンの成長が改善され、材料の均一性が向上します。

より均一な層が得られることに加えて、彼らの方法は他の MOCVD プロセスよりもはるかに高速でした。 通常、MOCVD 成長プロセスには少なくとも丸 1 日かかりますが、彼らは 1 時間未満で層を成長させることができました。

最先端の MIT.Nano 施設を使用して、8 インチのシリコン ウェーハ全体で材料の高い均一性と品質を実証することができました。これは、より大きなウェーハが必要な産業用途にとって特に重要です。

「成長時間を短縮することで、プロセスの効率が大幅に向上し、より簡単に工業製造に組み込むことができます。さらに、これはシリコンと互換性のある低温プロセスであり、2D材料を半導体業界にさらに押し込むのに役立ちます。 」と朱さんは言う。

研究者らは将来、技術を微調整し、それを使って 2D トランジスタの多数の積層層を成長させたいと考えています。 さらに、ポリマー、繊維、紙などの柔軟な表面に低温成長プロセスを使用することも検討したいと考えています。 これにより、衣服やノートなどの日常的な物体への半導体の統合が可能になる可能性がある。

「この研究は、単層二硫化モリブデン材料の合成技術において重要な進歩をもたらしました」と、ロバート・G・アンド・メアリー・G・レーン寄付早期キャリア委員長であり、電気工学およびコンピュータ工学、化学工学および材料科学の准教授であるHan Wang氏は述べています。南カリフォルニア大学はこの研究には関与していませんでした。 「8 インチスケールでの低熱バジェット成長という新機能により、この材料とシリコン CMOS 技術のバックエンド統合が可能になり、将来のエレクトロニクス用途への道が開かれます。」

参考文献: 「200 mm プラットフォームでのシリコン バックエンド ライン統合のための単層二硫化モリブデンの低熱予算合成」Jiadi Zhu、Ji-Hoon Park、Steven A. Vitale、Wenjun Ge、Gang Seob Jung、 Jiangtao Wang、Mohamed Mohamed、Tianyi Zhang、Maitreyi Ashok、Mantian Xue、Xudong Zheng、Zhien Wang、Jonas Hansryd、Anantha P. Chandrakasan、Jing Kong、Tomas Palacios、2023 年 4 月 27 日、Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s423-565- 0 01375-6

この研究は、MIT 兵士ナノテクノロジー研究所、国立科学財団統合量子材料センター、エリクソン、MITRE、米国陸軍研究局、および米国エネルギー省から一部資金提供を受けています。 このプロジェクトは、TSMC University Shuttle の支援からも恩恵を受けました。