Neue Plasma-Technik macht Computerchips kleiner und leistungsstärker

Silizium hat Computerchips jahrzehntelang angetrieben, doch die physikalischen Grenzen des Materials werden immer deutlicher. Um Elektronik weiter zu verkleinern und leistungsfähiger zu machen, suchen Forscher nach Wegen, Silizium mit neuen, ultradünnen Materialien zu kombinieren. Eine vielversprechende Gruppe sind sogenannte Übergangsmetall-Dichalkogenide – kurz TMD. Ein vielversprechender Kandidat ist Molybdändisulfid, ein Material, das nur drei Atome dick ist: eine Schicht Molybdän zwischen zwei Schichten Schwefel.

Für künftige Transistoren, die Silizium und TMD-Materialien kombinieren, müssen Hersteller möglicherweise gezielt Atome aus der oberen Schwefelschicht entfernen, ohne die darunterliegenden Schichten zu beeinträchtigen. Eine gängige Methode, um Oberflächenatome zu entfernen, ist Plasma – der energiereiche Zustand von Materie, wie er in der Sonne vorkommt. Unter kontrollierten Bedingungen können Teilchen im Plasma auf die Oberfläche eines TMD-Materials treffen und Atome herauslösen. Die Herausforderung besteht darin, genug Energie zu liefern, um Schwefelatome zu entfernen, ohne die Molybdänschicht darunter zu beschädigen. Der Unterschied zwischen Erfolg und Schaden ist so gering, dass ein zuverlässiger Prozess schwer zu entwickeln war.

Mithilfe von Computersimulationen fanden die Forscher heraus, dass eine Behandlung von Molybdändisulfid mit Sauerstoff oder Fluor vor der Plasmaeinwirkung den Prozess deutlich kontrollierbarer macht. Ihre Ergebnisse wurden im Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht. Die Simulationen zeigten, dass die Vorbehandlung die Energie, die zum Entfernen von Schwefelatomen nötig ist, drastisch senkt. Auf einer unbehandelten Oberfläche sind etwa 30 Elektronenvolt erforderlich, um ein Schwefelatom zu lösen. Mit Fluor sinkt die Schwelle auf etwa 10 Elektronenvolt, mit Sauerstoff auf etwa 14 Elektronenvolt.

Dieser Unterschied ist entscheidend, weil Plasmen nicht alle Teilchen mit identischer Energie liefern – einige haben mehr Energie als andere. Auf einer unbehandelten Oberfläche ist der Bereich zwischen dem Entfernen von Schwefelatomen und der Beschädigung der Molybdänschicht so schmal, dass einige Ionen unweigerlich Schaden anrichten. Durch die Absenkung der Schwefel-Entfernungsschwelle auf 10 oder 14 Elektronenvolt entsteht ein breiteres Arbeitsfenster. Hersteller haben dadurch mehr Spielraum, die obere Schwefelschicht sauber zu entfernen, während der Rest des Materials intakt bleibt.

Statt sich ausschließlich auf physikalische Stöße zu verlassen, nutzt die Methode chemische Prozesse. Wenn ein Ion auf eine mit Sauerstoff behandelte Oberfläche trifft, können zwei Sauerstoffatome mit einem benachbarten Schwefelatom Schwefeldioxid bilden – ein stabiles Gas, das die Oberfläche auf natürliche Weise verlässt. Fluor verhält sich ähnlich und bildet Schwefel-Fluor-Verbindungen, die sich leichter entfernen lassen. „Wir brechen die Bindungen nicht direkt“, sagt Yury Polyachenko, Doktorand an der Princeton University und Hauptautor der Studie. „Wir bilden Zwischenprodukte wie Schwefeldioxid, die sich viel leichter ablösen lassen.“

Die Forscher planen, die Technik weiter zu untersuchen, um ihre Auswirkungen besser zu verstehen. „Der nächste Schritt ist herauszufinden, wie viel Schaden der Prozess verursacht – nicht nur, ob er Schaden verursacht“, so Polyachenko. „Danach wollen wir sehen, ob der gleiche Ansatz auch für verwandte Materialien funktioniert – etwa Molybdän durch Wolfram oder Schwefel durch Selen zu ersetzen – um herauszufinden, wie breit diese Idee anwendbar ist.“ Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium unterstützt und am National Energy Research Scientific Computing Center durchgeführt.