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麻省理工学院（MIT）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，研究人员改进了最近发明的化学蚀刻技术，称为热原子级蚀刻（热ALE），可以在原子级精确地修改半导体材料。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，且效率高于商用晶体管。研究成果发表在IEEE IEDM上。
图为晶体管横截面，尺寸仅为3纳米
研究动力
这项工作背后的驱动力是延续摩尔定律。为了坚持该电子学的“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，如鳍型场效应晶体管，尺寸约为7纳米——比人类头发细数万倍。数十亿个这样的晶体管可以集成在单个微芯片上，该微芯片只有指甲的大小。
工艺突破
微制造工艺包括淀积（在基板上生长膜）和蚀刻（在表面上雕刻图案）。最先进的微制造技术是原子层淀积（ALD）和原子层蚀刻（ALE）。在ALD中，将两种化学物质淀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并阻碍性能。
2016年，科罗拉多大学的团队发明了热ALE，这种技术与ALD非常相似，依赖于称为“配体交换”的化学反应。在这个过程中，一种化合物中被称为配体的离子——与金属原子结合——被不同化合物中的配体所取代。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以用于半导体材料。他们使用了一种称为铟镓砷（或铟镓砷）的合金半导体材料，这种材料越来越被认可为更快，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，研究人员随后淀积了“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。Lu说：“这有点像一层一层地剥洋葱。在每个循环中，我们只能蚀刻出2％的纳米材料。这为我们提供了极高的准确性和对过程的小心控制。”
由于该技术与ALD非常相似。Del Alamo说：“你可以将这种热ALE集成到进行淀积工作的同一个反应堆中。它只需要“重新设计淀积工具来处理新气体，以便在蚀刻后立即进行淀积。......这对工业非常有吸引力。”
更薄更好的“鳍”
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。栅极基本上缠绕在淀上。由于其垂直的形状，可在单个芯片上集成70亿到300亿个FinFET。Apple、高通和其他科技公司于今年开始使用7纳米FinFET。
大多数研究人员的FinFET测量宽度为5纳米——行业所需的阈值——高度约为220纳米。此外，该技术限制了材料暴露于氧气所引起使晶体管效率降低的缺陷，。研究人员报告说，该器件“跨导”性能比传统FinFET高出约60％。跨导衡量转换该电压所需的能量。
研究人员说，限制缺陷也会带来更高的开关比。理想情况下，当晶体管导通时，需要高电流流动以处理繁重的计算，而在关闭时几乎没有电流流动以节省能量。Del Alamo说：“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。到目前为止，我们获得了FinFET中最高的比例。”
自评
论文的第一作者、MIT微系统技术实验室研究生Wenjie Lu说：“我们相信这项工作将产生巨大的现实影响。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纵这些材料。”
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