麻省理工学院和科罗拉多大学的研究人员制造了一个三维晶体管，其尺寸不到当今最小商业模型的一半。为此，他们开发了一种新颖的微加工技术，可以逐个原子地修改半导体材料。
这项工作背后的灵感是跟上摩尔定律，在20世纪60年代观察到集成电路上的晶体管数量大约每两年增加一倍。为了坚持这种电子学的“黄金法则”，研究人员不断寻找将尽可能多的晶体管塞入微芯片的方法。最新的趋势是垂直竖立的三维晶体管，如鳍片，尺寸约为7纳米，比人类头发薄几万倍。数十亿个这样的晶体管可以安装在单个微芯片上，这个微芯片大约是指甲的大小。
正如本周IEEE国际电子器件会议上发表的一篇论文所述，研究人员修改了最近发明的化学蚀刻技术，称为热原子级蚀刻（热ALE），以便在原子水平上对半导体材料进行精确修改。研究人员利用这种技术制造出的CMOS三维晶体管窄至2.5纳米，效率高于商用晶体管。
目前存在类似的原子级蚀刻方法，但新技术更精确并且产生更高质量的晶体管。此外，它重新利用了一种常用的微加工工具，用于在材料上沉积原子层，这意味着它可以快速集成。研究人员说，这可以使计算机芯片具有更多的晶体管和更高的性能。
“我们相信这项工作将产生巨大的现实影响，”第一作者，麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）研究生卢文杰说。“随着摩尔定律继续缩小晶体管尺寸，制造这种纳米级器件更加困难。为了设计更小的晶体管，我们需要能够以原子级精度操作这些材料。”
在报纸上加入Lu是：耶稣A.del Alamo，电气工程和计算机科学教授，以及领导Xtreme晶体管集团的MTL研究员;麻省理工学院最近毕业的Lisa Kong'18;麻省理工学院博士后Alon Vardi;和科西嘉大学的Jessica Murdzek，Jonas Gertsch和Steven George教授。
原子层沉积（ALD）和原子层蚀刻（ALE）
微加工涉及沉积（在基板上生长膜）和蚀刻（在表面上的雕刻图案）。为了形成晶体管，衬底表面通过具有晶体管的形状和结构的光掩模暴露于光。暴露在光线下的所有材料都可以用化学物质蚀刻掉，而隐藏在光掩模后面的材料仍然存在。
用于微加工的最先进技术被称为原子层沉积（ALD）和原子层蚀刻（ALE）。在ALD中，将两种化学物质沉积在基板表面上并在真空反应器中彼此反应以形成所需厚度的膜，每次一个原子层。
传统的ALE技术使用具有高能离子的等离子体，剥离材料表面上的单个原子。但是这些会导致表面损伤。这些方法还将材料暴露在空气中，其中氧化导致额外的缺陷，从而阻碍性能。
2016年，科罗拉多大学的团队发明了热ALE，这种技术非常类似于ALD，并依赖于称为“配体交换”的化学反应。在这个过程中，一种叫做配体的化合物中的离子-与金属原子结合-被不同化合物中的配体取代。当化学物质被清除时，反应导致替换配体从表面剥离单个原子。到目前为止，热ALE仍处于起步阶段，仅用于蚀刻氧化物。
在这项新工作中，研究人员使用为ALD保留的相同反应器修改了热ALE以在半导体材料上工作。他们使用了一种称为铟镓砷（或铟镓砷）的合金半导体材料，这种材料越来越被称为更快，更有效的硅替代品。
研究人员将这种材料暴露在氟化氢中，氟化物是用于原始热ALE工作的化合物，它在表面形成金属氟化物的原子层。然后，他们倒入称为二甲基氯化铝（DMAC）的有机化合物。配体交换过程发生在金属氟化物层上。清除DMAC时，会跟随单个原子。
该技术重复数百次循环。在一个单独的反应堆中，研究人员随后沉积了“栅极”，即控制晶体管开启或关闭的金属元素。
在实验中，研究人员一次仅从材料表面去除了0.02纳米。“你有点一层一层地剥洋葱，”卢说。“在每个循环中，我们只能蚀刻掉2％的纳米材料。这使我们能够获得超高的精度和对过程的精确控制。”
由于该技术与ALD非常相似，“您可以将这种热ALE集成到您进行沉积工作的同一个反应堆中，”del Alamo说。它只需要“重新设计沉积工具来处理新气体，以便在蚀刻后立即进行沉积。这对工业非常有吸引力。”
由薄的“硅片”组成的 FinFET 用于三维晶体管
利用这项技术，研究人员制造了FinFET，即用于当今许多商业电子设备的三维晶体管。FinFET由薄的“硅片”组成，垂直竖立在基板上。门基本上缠绕在翅片上。由于它们的垂直形状，70亿到300亿个FinFET可以挤压到芯片上。截至今年，Apple，高通和其他科技公司开始使用7纳米FinFET。
大多数研究人员的FinFET在5纳米宽度范围内测量-在整个工业中达到理想阈值-高度约为220纳米。此外，该技术限制了材料暴露于氧气引起的缺陷，使晶体管效率降低。
研究人员报告说，该器件在“跨导”中的性能比传统的FinFET高出约60％。晶体管将小电压输入转换为由栅极提供的电流，该电流打开或关闭晶体管以处理驱动计算的1s（on）和0s（off）。跨导测量转换该电压所需的能量。
研究人员说，限制缺陷也会导致更高的开关对比度。理想情况下，当晶体管导通时，您需要高电流流动，处理繁重的计算，并且在关闭时几乎没有电流流动，以节省能量。“这种对比对于制造高效的逻辑开关和非常高效的微处理器至关重要，”del Alamo说。“到目前为止，我们在FinFET中的比例最高。”
