گام انقلابی TSMC برای ساخت تراشه‌های زیر ۱ نانومتر

پژوهشگران TSMC و دانشگاه ملی یانگ مینگ چیائو تونگ (NYCU) تایوان راه جدیدی برای ساخت ترانزیستور با مواد دو بعدی پیدا کرده‌اند. این دستاورد می‌تواند یکی از بزرگ‌ترین موانع بر سر راه ساخت ترانزیستورهای زیر ۱ نانومتری را برطرف کند.

بزرگ‌ترین چالش فعلی در کوچک‌سازی تراشه‌ها حفظ کنترل کافی گیت روی کانال ترانزیستور است که خاموش و روشن شدن ترانزیستور توسط آن انجام می‌شود. در تراشه‌های فعلی از معماری‌هایی مانند FinFET و Gate-All-Around یا GAAFET برای کنترل جریان الکتریکی کانال استفاده می‌شوند. در این ترانزیستوره  گیت اطراف کانال نیمه‌رسانا قرار می‌گیرد تا کنترل بیشتری بر حرکت الکترون‌ها داشته باشد اما هرچه ابعاد ترانزیستور کوچک‌تر می‌شود، کنترل جریان نیز دشوارتر خواهد شد.

زمانی که طول کانال به محدوده ۳ تا ۵ نانومتر نزدیک می‌شود، توانایی گیت برای کنترل مؤثر جریان، حتی در ساختارهایی مثل GAA، کاهش پیدا می‌کند. از سوی دیگر، کاهش ضخامت کانال به کمتر از حدود ۳ نانومتر می‌تواند باعث تماس بیشتر الکترون‌ها با گیت و در نتیجه افزایش مقاومت شود.

چالش استفاده از مواد دوبعدی برای ساخت ترانزیستور

یکی از راهکارهای مورد توجه برای عبور از این محدودیت‌ها استفاده از مواد دوبعدی است. در این ساختارها کانال می‌تواند تنها یک لایه اتمی ضخامت داشته باشد. در این میان، دی‌سولفید مولیبدن یا MoS₂ به دلیل ضخامت طبیعی حدود ۰.۷ نانومتر، یکی از گزینه‌های اصلی برای این نسل از ترانزیستورها محسوب می‌شود است.

با وجود این مزیت، ساخت ترانزیستورهای دوبعدی با استفاده از این ماده با یک مشکل اساسی روبه‌رو است و آن اینکه ایجاد یک لایه عایق دی‌الکتریک یکنواخت روی کانال بسیار نازک MoS₂ دشوار است. روش‌های معمول رسوب‌دهی سطحی ناهمگون ایجاد می‌کنند که باعث افت عملکرد ترانزیستور می‌شود.

راه حل TSMC برای ساخت ترانزیستورهای دو بعدی

حال TSMC و NYCU در پژوهش جدید خود به‌جای تلاش برای تغییر روش رسوب‌دهی یا استفاده از مواد جدید، روی هموار کردن سطح کانال MoS₂ بعد از ساخت آن متمرکز شده‌اند. پژوهشگران ابتدا یک لایه بسیار نازک از آلومینیوم روی MoS₂ ایجاد کردند. این لایه سپس اکسید شد و یک لایه اکسید آلومینیوم با ضخامت تنها ۰.۴۲ نانومتر شکل گرفت.

در مرحله بعد، اکسید هافنیوم (HfO₂) به‌عنوان دی‌الکتریک گیت با ضریب دی‌الکتریک بالا (High-K) روی این لایه قرار گرفت. این ساختار به پژوهشگران اجازه داد کنترل دقیق‌تری روی جریان الکتریکی داشته باشند و مقاومت ترانزیستور را کاهش دهند. نتایج نشان می‌دهد ساختار جدید، هم عملکردی مشابه یک لایه دی‌الکتریک با ضخامت حدود یک نانومتر ارائه می‌کند و هم مشکلات مربوط به ایجاد مستقیم لایه عایق روی MoS₂ را کاهش می‌یابد.

هرچند این دستاور می‌تواند یکی از موانع مهم در مسیر کوچک‌سازی بیشتر ترانزیستورها را برطرف کند، اما ابتدا باید امکان استفاده از آن  در مقیاس صنعتی مورد آزمایش قرار بگیرد. در صورت موفقیت مراحل بعدی این پروژه مواد دوبعدی بر پایه  MoS₂می‌توانند نقش مهمی در نسل‌های آینده تراشه‌ها و ادامه روند افزایش تراکم ترانزیستورها ایفا کنند.

نتایج این پروژه در نشریه معتبر Nature Electronics منتشر شده است.