Samsung vindt preciezere methode om nanochips massaal te produceren

Elke computerchip begint als een ruwe wafer waarop fabrikanten miljarden transistors uitsnijden. Die transistors zijn de afgelopen decennia enorm gekrompen: van onderdelen van enkele centimeters bij de uitvinding van de transistor tot structuren van slechts een paar nanometer nu, tienduizenden keren kleiner. Die miniaturisatie maakt telefoons, elektrische auto's en satellieten mogelijk, maar brengt de industrie ook in de problemen. Hoe kleiner de structuren, hoe lastiger het wordt om ze foutloos en op grote schaal te produceren.

Voor het uitsnijden van deze piepkleine patronen gebruiken chipfabrikanten al jaren reactive-ion etching (RIE). Bij deze techniek wordt een oppervlak bestookt met een chemisch reactief plasma, aangevuld met energierijke ionen die het materiaal wegslaan. RIE is snel en op grote schaal inzetbaar, maar beschadigt regelmatig het oppervlak van de chip, laat ongewenste restdeeltjes achter en vereist dure apparatuur.

Een preciezer alternatief met een groot probleem

Atomic layer etching (ALE) geldt al langer als het geavanceerdere alternatief. In plaats van materiaal in één ruwe stap weg te branden, verwijdert ALE het laag voor laag, atoom voor atoom. Dat levert minder schade op en veel nauwkeurigere patronen. Het probleem: de vele opeenvolgende stappen die de techniek vereist, maken het proces traag en complex. Voor laboratoriumonderzoek is dat te overzien, maar in een fabriek die dagelijks duizenden wafers moet verwerken, is een lage productiesnelheid een showstopper.

Een onderzoeksteam onder leiding van Keun Hee Bai bij Samsung Electronics in Zuid-Korea benaderde dit probleem vanuit een ander perspectief. Waar academisch onderzoek de losse stappen van ALE doorgaans één voor één probeert te verbeteren, keek Bai's team naar het hele proces als één samenhangend geheel. Door de opeenvolgende reactiestappen te vereenvoudigen en zorgvuldiger op elkaar af te stemmen, bleek het mogelijk om zowel de snelheid als de nauwkeurigheid van ALE te verbeteren, zonder de kenmerkende voordelen van de techniek te verliezen.

Rechte hoeken als extra troef

Behalve de bekende voordelen van ALE, zoals minder beschadiging en fijnere controle, ontdekte het team een extra pluspunt: een preciezer, meer verticaal profiel. Waar veel etstechnieken schuine of afgeronde randen achterlaten, kan de aangepaste ALE-methode hoeken van negentig graden creëren met een gelijkmatige breedte door de hele laag heen. Dat is belangrijk omdat onregelmatige randen bij extreem kleine structuren al snel leiden tot storingen of kortsluiting.

De bevindingen zijn een aanwijzing dat ALE, na jaren als veelbelovend maar onpraktisch te zijn bestempeld, alsnog zijn weg kan vinden naar de fabrieksvloer van een halfgeleiderfabriek. Voor chipmakers die steeds kleinere procesknooppunten nastreven, kan een preciezere etstechniek helpen om de opbrengst te verhogen en defecten te verminderen naarmate transistors de grenzen van wat fysiek maakbaar is naderen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het Journal of Vacuum Science & Technology A.