La miniaturizzazione dei chip richiede nuovi materiali ultra‑resistenti: l’ossicloruro di cromo 2D rivoluziona le hard mask, supera il plasma etching e apre la strada a semiconduttori più piccoli, veloci e flessibili
Chip più piccoli e veloci grazie a un materiale spesso un solo atomo.
Rendere i chip per computer più piccoli non riguarda solo un migliore design. Dipende anche da una fase critica della produzione chiamata “patterning”, in cui strutture su scala nanometrica vengono incise nei materiali per formare i circuiti all’interno di tutto, dagli smartphone ai sensori avanzati.
Per creare questi pattern, gli ingegneri utilizzano una “hard mask”, un sottile e resistente strato di materiale che protegge le regioni selezionate mentre le aree esposte vengono rimosse tramite incisione.
«Man mano che i chip diventano più piccoli, il processo di produzione diventa molto più impegnativo», ha dichiarato il professor Saptarshi Das (1), Penn State Ackley Docente di scienze ingegneristiche e meccaniche. «La maschera utilizzata per definire questi pattern deve resistere a condizioni di lavorazione estremamente dure. Se la maschera si degrada, i pattern non possono essere trasferiti in modo affidabile».
Ora, Das e un team di ricercatori internazionali riportano in uno studio pubblicato su Nature Materials (2) che un materiale bidimensionale (2D) sottilissimo a livello atomico, l’ossicloruro di cromo (CrOCl), supera di gran lunga i materiali convenzionali utilizzati come “hard mask” nella fabbricazione dei chip.
«L’industria sta davvero faticando a trovare nuovi materiali per le “hard mask”», ha detto Das, autore corrispondente dello studio. «Man mano che i chip si avvicinano a dimensioni più piccole e ad architetture 3D più complesse per elettronica più veloce e più performante, abbiamo bisogno di materiali diversi per le “hard mask” che rendano più semplice la loro produzione».
Ha osservato che i produttori di semiconduttori si sono affidati in gran parte agli stessi materiali per “hard mask”, come il biossido di silicio, il nitruro di silicio, l’ossido di alluminio, il cromo, il nichel, il nitruro di titanio, ecc. Durante la produzione, gli ingegneri utilizzano l’incisione al plasma, un processo che impiega gas altamente reattivi per scolpire strutture profonde e strette nel silicio. Queste condizioni estreme erodono gradualmente molti materiali tradizionali delle maschere.
Secondo i ricercatori, gli ossialogenuri o ossoalogenuri metallici bidimensionali (2D), come l’ossicloruro di cromo e l’ossicloruro di niobio, potrebbero essere la risposta.
Il dottor Ziheng Chen (3), dottorando alla Penn State in ingegneria della scienza e della meccanica e co‑autore dello studio, ha spiegato che la struttura cristallina stratificata del materiale svolge un ruolo chiave in queste proprietà vantaggiose. Egli sostiene che «Questo materiale 2D è come una lasagna. È una struttura strato per strato».
Invece di forti legami chimici tra gli strati, i fogli sono tenuti insieme debolmente. Quando esposto al plasma, il materiale forma quella che Chen ha descritto come una superficie protettiva.
«Quando il plasma bombarda la superficie, si forma uno strato di passivazione», continua il dottor Ziheng Chen. «Quello strato diventa chimicamente inerte e protegge il materiale sottostante da ulteriori reazioni».
Secondo il dottor Das «In forma massiccia più spessa, questi materiali offrono interessanti proprietà magnetiche ed elettroniche. Ma il loro potenziale come maschere ultrafini e resistenti al plasma per la fabbricazione di chip non era stato precedentemente dimostrato». Das e il suo team non solo ci sono riusciti, ma hanno anche scoperto un altro vantaggio dell’ossicloruro di cromo 2D rispetto alle “hard mask” tradizionali: può essere modellato separatamente e poi trasferito su materiali delicati come plastiche flessibili o vetro per l’uso in elettronica flessibile o piattaforme sensoriali specializzate. Questa flessibilità potrebbe ampliare le possibilità di fabbricare dispositivi su materiali non convenzionali, inclusa l’elettronica flessibile o piattaforme sensoriali specializzate.
Il professor Saptarshi Das racconta: «Si realizza questa “hard mask” su un substrato rigido e si è in grado di trasferirla su qualsiasi altra cosa. Si elimina quella limitazione delle “hard mask” convenzionali. La scoperta che l’ossicloruro di cromo potesse sopportare l’esposizione al plasma e funzionare con materiali più delicati è stata inaspettata. Non ci aspettavamo davvero che questo ossicloruro di cromo sarebbe diventato un materiale per “hard mask”. È stata una serendipità sperimentale. In origine, il team aveva cercato di incidere il materiale per un progetto completamente diverso. Ma, a differenza di altri materiali 2D, i ricercatori hanno scoperto che non riuscivano a inciderlo».
Quella sorpresa portò il team a verificare quanto fosse realmente resistente l’ossicloruro di cromo. Dopo averlo confrontato sistematicamente con i materiali standard del settore, scoprirono che l’ossicloruro di cromo mostrava una resistenza superiore al plasma di fluoro, un gas altamente reattivo utilizzato per incidere motivi nel silicio durante la fabbricazione dei chip. Poiché l’ossicloruro di cromo si erode molto più lentamente in queste condizioni estreme, può fungere da maschera efficace a spessori molto più ridotti, consentendo comunque ai produttori di incidere strutture profonde e precise.
Il team osservò anche un altro effetto inatteso: invece di diventare più ruvida dopo ripetute esposizioni al plasma, la superficie del materiale diventava più liscia. Secondo Pranavram Venkatram, dottorando alla Penn State in scienza e meccanica dell’ingegneria e coautore dello studio, quella superficie liscia è fondamentale per ottenere un prodotto migliore. Nelle maschere convenzionali, i sottoprodotti del plasma si ridepositano in modo irregolare, causando ciò che gli ingegneri chiamano micro-masking.
«Qualsiasi bombardamento si verifichi farà sì che regioni diverse presentino velocità di incisione differenti, rendendo difficile creare strutture nette e verticali», ha detto Venkatram. «Con l’ossicloruro di cromo, tuttavia, il bombardamento rimuove efficacemente le zone irregolari e rivela una superficie più liscia al di sotto. Poiché ora abbiamo uno strato più liscio, la rideposizione dei sottoprodotti praticamente non avviene, non influisce realmente sul processo di incisione e non provoca alcun micro‑masking».
Il risultato sono strutture più nette e più verticali, un requisito essenziale per l’integrazione avanzata di chip 3D nelle tecnologie elettroniche più sofisticate, dove strati impilati ad alta densità devono allinearsi con precisione nanometrica per funzionare in modo affidabile.
Venkatram ha affermato che il materiale potrebbe potenzialmente ridurre la complessità della fabbricazione ed eliminare la necessità di ridepositare ripetutamente gli strati di mascheratura durante le fasi di incisione profonda.
Tuttavia, resta ancora del lavoro da fare prima che la tecnologia possa essere scalata per un uso industriale. Finora, le dimostrazioni sono state eseguite su piccoli fiocchi esfoliati di materiale. Per essere utilizzato nella produzione, il materiale dovrebbe essere fatto crescere in modo uniforme su intere wafer, che sono sottili dischi circolari di silicio, spesso di diversi pollici di diametro, che fungono da piattaforma di base per costruire dozzine o addirittura centinaia di chip contemporaneamente.
«Questo materiale, con la sua fabbricazione più semplice e la sua compatibilità, potrebbe potenzialmente rappresentare un punto di svolta per lo sviluppo e la produzione dell’elettronica del futuro», conclude il dottor Das.
Insieme a Venkatram, Chen e Das, tra gli altri autori della Penn State figurano Krishnendu Mukhopadhyay, dottorando in tecnologia di produzione dei semiconduttori; Bob Hengstebeck, ricercatore del Materials Research Institute specializzato in analisi delle superfici; Lei Ding, studente laureato in scienza e meccanica dell’ingegneria; e Yang Yang, professore assistente di scienza e meccanica dell’ingegneria. Altri coautori dello studio includono Vlastimil Mazanek e Zdenek Sofer dell’Università di Chimica e Tecnologia di Praga. Questa ricerca è stata sostenuta dal National Science Foundation, U.S. Office of Naval Research, and U.S. Office of Army Research.
Riferimenti:
(2) Two-dimensional crystalline hard masks for high-aspect-ratio nanofabrication
Descrizione foto: Il materiale atomicamente sottile con straordinaria resistenza al plasma consente la nanofabbricazione con proporzioni elevate. - Credit: Jennifer M, McCann.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Atom-thin material could help solve chip manufacturing problem