- Die von südkoreanischen Forschern entwickelte Technologie kann die Kristallbildung mit einer Erfolgsrate von über 99 % kontrollieren.
- Das Verfahren löst ein Haupthindernis bei der Herstellung gestapelter Chips und gewährleistet die präzise Bildung von Halbleiterschichten.
- Forscher nutzen Oxidbarrieren, die Sauerstoff freisetzen, um den Startpunkt des Kristallwachstums zu steuern.
- Die Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter machen sie zum Forschungsschwerpunkt für zukünftige Chipmaterialien.
Südkoreanische Forscher haben eine Halbleiterfertigungstechnologie entwickelt, die es ermöglicht, die Bildung einzelner Kristalle in 400 strukturierten Wachstumsbereichen mit einer Erfolgsrate von über 99 % zu kontrollieren. Diese Technologie soll Herstellern helfen, vertikal gestapelte Rechenchips zu bauen. Das Verfahren erlaubt es Forschern, einzelne Molybdändisulfid-Kristalle (MoS₂) an vorgegebenen Positionen wachsen zu lassen – dieser Halbleiter ist nur wenige Atomlagen dick – anstatt dass sich mehrere Kristalle zufällig bilden. Ein von der Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) geführtes Team entwickelte diese Methode in Zusammenarbeit mit UNIST, der Hanyang-Universität und TDS Innovation. Dabei wird Sauerstoff genutzt, der aus Oxidbarrieren freigesetzt wird, um den Startpunkt des Kristallwachstums zu steuern.
Beseitigung von Hindernissen bei gestapelten Chips
Die Forscher geben an, dass dieses Verfahren ein Haupthindernis bei der Herstellung gestapelter Chips beseitigen kann: Halbleiterschichten müssen präzise über bestehenden Schaltkreisen gebildet werden, um die Einführung leistungsmindernder Defekte zu vermeiden.
Sauerstoff kontrolliert die Kristallbildung. Herkömmliche Halbleiterwachstumsmethoden können den groben Bereich definieren, in dem sich ein Dünnfilm bildet, doch die Kontrolle des exakten Startpunkts jedes Kristalls bleibt schwierig. Wenn mehrere Kristalle unabhängig voneinander wachsen und aufeinandertreffen, bilden sie Korngrenzen. Diese Korngrenzen stören die geordnete Anordnung der Atome und können die Bewegung von Elektronen im Halbleiter beeinträchtigen. Die Forscher entwickelten einen Prozess namens Etch-Flux-vermittelte Einzelzentrumsnukleation (EF-SCN). Nukleation ist die initiale Phase der Kristallbildung, in der Atome beginnen, sich in geordneten Strukturen anzuordnen. Das Verfahren nutzt eine Oxidbarriere, beispielsweise Hafniumoxid (HfO₂), die die bezeichneten Wachstumsbereiche umgibt.
Der aus der Barriere freigesetzte Sauerstoff wirkt als Ätzmittel und unterdrückt unerwünschte Kristallbildung. Der Einfluss des Sauerstoffs ist an den Rändern der strukturierten Bereiche am stärksten und nimmt zum Zentrum hin allmählich ab. Dies schafft Bedingungen, die die Bildung eines Kristalls an einem einzigen zentralen Punkt begünstigen. Sobald das Wachstum dort beginnt, unterdrückt der Prozess auch die Bildung zusätzlicher Kristalle in der Nähe.
Die Zukunft zweidimensionaler Halbleiter
Mit dieser Methode gelang es den Forschern, einzelne MoS₂-Kristalle an den bezeichneten zentralen Positionen in über 99 % der 400 Strukturen wachsen zu lassen. Das Team demonstrierte zudem die selektive Metallabscheidung an Strukturen, die Molybdändisulfid und Molybdändiselenid (MoSe₂) kombinieren. In diesen Strukturen bildet sich eine dünne Platin-Metallschicht selektiv auf den MoSe₂-Bereichen, was eine weitere Möglichkeit zur Kontrolle der Materialplatzierung im Halbleiterfertigungsprozess aufzeigt.
Gestapelte Chips rücken näher. Da zweidimensionale Halbleiter auch bei einer Dicke von nur wenigen Atomlagen ihre Halbleitereigenschaften behalten, werden sie als Material für zukünftige Chips erforscht. Ihre geringe Dicke könnte es Herstellern ermöglichen, Rechen- und Speicherelemente vertikal zu stapeln und so die Distanz zu verringern, die Daten zwischen ihnen zurücklegen müssen. Das Bewegen von Daten innerhalb eines Chips verbraucht Energie und verursacht Verarbeitungsverzögerungen; eine nähere Platzierung der Elemente kann diese Kosten senken, insbesondere in Systemen, die große Rechenarbeitslasten bewältigen. Die Produktion solcher Chips erfordert jedoch eine präzise Kontrolle des Halbleiterwachstums auf Oberflächen, die bereits gefertigte Schaltkreise enthalten.
Die Technologie von KAIST bietet einen möglichen Weg, hochwertige zweidimensionale Materialien direkt an bezeichneten Positionen wachsen zu lassen, wodurch die Notwendigkeit entfällt, sie separat herzustellen und auf den Chip zu übertragen.
Die Forscher untersuchten den Mechanismus durch Wachstumsexperimente und Simulationen, haben jedoch noch keinen vollständigen gestapelten Prozessor demonstriert oder Verbesserungen bei Rechengeschwindigkeit oder Energieverbrauch gemessen. Die Studie belegt die Kontrolle der Kristallnukleation, nicht die Leistung kommerzieller Chips. Weitere Entwicklung ist erforderlich, um festzustellen, ob sich das Verfahren in großem Maßstab in die Halbleiterfertigung integrieren lässt. Die Studie wurde am 8. Oktober in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Potenzieller Einfluss der neuen Technologie auf die Halbleiterfertigung
Die Entwicklung dieser Technologie ist für die Halbleiterindustrie von großer Bedeutung, da sie das Problem der präzisen Kontrolle bei der Herstellung gestapelter Chips effektiv löst. Mit dem Aufkommen zweidimensionaler Halbleitermaterialien kann diese Technologie nicht nur die Produktionseffizienz steigern, sondern auch die Entstehung weiter miniaturisierter und leistungsstärkerer Rechenelemente fördern. Dies ist entscheidend für das künftige Wachstum der Rechenanforderungen und die Senkung des Energieverbrauchs. Die kommerzielle Anwendung der Technologie erfordert jedoch weitere Validierung und Verbesserung, was ihren tatsächlichen Marktwert bestimmen wird.