Las tecnologías emergentes de inteligencia artificial (IA) exigen chips informáticos más densos y potentes. Pero los chips semiconductores se fabrican tradicionalmente con materiales a granel, que son estructuras cuadradas en 3D, por lo que es muy difícil apilar varias capas de transistores para crear integraciones más densas. El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado una nueva tecnología de fabricación y crecimiento a baja temperatura que permite la integración de materiales 2D directamente en un circuito de silicio, lo que podría dar lugar a chips más densos y potentes.
El crecimiento de materiales 2D directamente en una oblea CMOS de silicio ha planteado un gran desafío porque el proceso generalmente requiere temperaturas de alrededor de 600ºC, mientras que los transistores y circuitos de silicio podrían romperse cuando se calientan por encima de los 400ºC. Ahora, el equipo interdisciplinario de investigadores del MIT ha desarrollado un proceso de crecimiento a baja temperatura que no daña el chip.
Esta tecnología puede ‘hacer crecer’ de manera efectiva y eficiente capas de materiales de dicalcogenuro de metal de transición (TMD) en una oblea de 8 pulgadas. La nueva tecnología también puede reducir significativamente el tiempo que lleva crear estos materiales. Mientras que los enfoques anteriores requerían más de un día para hacer crecer una sola capa de materiales 2D, el nuevo enfoque puede hacer crecer una capa uniforme de material TMD en menos de una hora en obleas completas de 8 pulgadas.
Crecimiento de las capas de disulfuro de molibdeno
El material 2D en el que se centraron los investigadores, el disulfuro de molibdeno, es flexible, transparente y ofrece propiedades electrónicas y fotónicas que lo hacen óptimo para un transistor semiconductor.
El crecimiento de películas delgadas de disulfuro de molibdeno en una superficie con buena uniformidad a menudo se logra a través de un proceso conocido como deposición de vapor químico orgánico-metálico (MOCVD). El hexacarbonilo de molibdeno y el azufre de dietilen, dos compuestos químicos orgánicos que contienen átomos de molibdeno y azufre, se vaporizan y se calientan dentro de la cámara de reacción, donde se descomponen en moléculas más pequeñas. Luego se unen a través de reacciones químicas para formar cadenas de disulfuro de molibdeno en una superficie.
Pero la descomposición de estos compuestos de molibdeno y azufre, que se conocen como precursores, requiere temperaturas superiores a los 550ºC, mientras que los circuitos de silicio comienzan a degradarse cuando las temperaturas superan los 400ºC. Para solucionar este problema, los investigadores diseñaron y construyeron un horno completamente nuevo para el proceso de deposición de vapor químico orgánico-metal.
El horno consta de dos cámaras, una región de baja temperatura en la parte delantera, donde se coloca la oblea de silicio, y una región de alta temperatura en la parte posterior. Los precursores de molibdeno y azufre vaporizados se bombean al horno. El molibdeno permanece en la región de baja temperatura, donde la temperatura se mantiene por debajo de los 400ºC, lo suficientemente caliente como para descomponer el precursor de molibdeno, pero no tanto como para dañar el chip de silicio.
Por su parte, el precursor de azufre fluye hacia la región de alta temperatura, donde se descompone. Luego fluye de regreso a la región de baja temperatura, donde ocurre la reacción química para hacer crecer el disulfuro de molibdeno en la superficie de la oblea.
Eliminación de la sulfuración
Un problema con este proceso es que los circuitos de silicio suelen tener aluminio o cobre como capa superior para que el chip se pueda conectar a un paquete o soporte antes de montarlo en una placa de circuito impreso. Pero el azufre hace que estos metales se sulfuren, lo que destruye su conductividad. Los investigadores evitaron la sulfuración depositando primero una capa muy delgada de material de pasivación sobre el chip.
También colocaron la oblea de silicio en la región de baja temperatura del horno verticalmente, en lugar de horizontalmente. Al colocarlo verticalmente, ninguno de los extremos está demasiado cerca de la región de alta temperatura, por lo que el calor no daña ninguna parte de la oblea. Además, las moléculas de gas de molibdeno y azufre se arremolinan cuando chocan contra el chip vertical, en lugar de fluir sobre una superficie horizontal. Este efecto de circulación mejora el crecimiento del disulfuro de molibdeno y conduce a una mejor uniformidad del material.
En el futuro, los investigadores quieren afinar su técnica y usarla para hacer crecer muchas capas apiladas de transistores 2D. Además, quieren explorar el uso del proceso de crecimiento a baja temperatura para superficies flexibles, como polímeros, textiles o incluso papeles. Esto podría permitir la integración de semiconductores en objetos cotidianos como ropa o cuadernos.