Kemin för Moores lag. Hur kemisterna möjliggör utvecklingen av datorerna. Henrik Professor i Oorganisk kemi

Transkript

1 Kemin för Moores lag Hur kemisterna möjliggör utvecklingen av datorerna Henrik Pedersen Professor i Oorganisk kemi

2 2 Gordon E Moore 1929 Grundade Intel 1968

3 Transistor 3 Source Gate Gateoxid Drain n + n + Transistorn av Transistorn på

4 Transistor 4 Nobelpriset i fysik 1956 William Shockley John Bardeen Walter Brattain

5 Elektronisk bandstruktur i fasta material 5 När man bygger upp ett fast material, t ex diamant, smetas de diskreta energinivåerna i atomerna ihop till kontinuerliga band av energinivåer. Bildkälla: Wikimedia Commons

6 Elektronisk bandstruktur i fasta material 6 Energi Bandgap Ledningsband Valensband Ledare Isolator Halvledare

7 7

8 Dagens transistorer är jäääättesmå! 8 10 miljarder transistorer i en processor Varje transistor är bara ett par nanometer stor Nano från grekiskans νανοσ (nanos) dvärg 1 nm = 10-9 m C 60 Fotboll Jorden

9 Problem när transistorerna blir mindre 9 M. Bohr et. al. IEEE Spectrum 2007, 44, 29.

10 Lösning: Annan gate-oxid 10 Den dielektriska konstanten (k) är ett mått på en isolators förmåga att koncentrera laddning. Högre k medger högre laddning för samma tjocklek eller samma laddning för högre tjocklek. M. Bohr et. al. IEEE Spectrum 2007, 44, 29.

11 En ny typ av transistor 11 Intel fick problem när de skulle utveckla nya transistorer, de försökte med både PVD och CVD för att göra dielektriska oxider: Unfortunately, both processes produce surfaces that, though remarkably smooth by most standards, were nevertheless uneven enough to leave some gaps and pockets in which charges could get stuck. We needed something even smoother as smooth as a single layer of atoms, actually. So we turned to a technology called atomic layer deposition M. Bohr et. al. IEEE Spectrum 2007, 44, 29.

12 Atomic Layer Deposition (ALD) 12 En kemisk metod för att göra tunna filmer med väldigt hög precision.

13 ALD av Al 2 O 3 13

14 ALD-animering 14 Dr. Simon Elliott

15

16 ALD bygger på ytkemi 16 All kemi på ytan Självbegränsande kemi Idealt ett atomlager per puls

17 Extrem precision med ALD 17 J. Hämäläinen et al. Chem. Mater. 2008, 20, J. Hämäläinen et al, Chem. Mater. 2012, 24, 55.

18 Nya lösningar för ännu mindre transistorer 18

19 Nya lösningar för ännu mindre transistorer 19

20 ALD är nu absolut nödvänligt 20 R. W. Johnson, A. Hultqvist, S. F. Bent, Materials Today 2014, 17, 236.

21 1 nm transistorn! 21 7 oktober 2016 Gate-oxiden gjord med ALD S. B. Desai et al. Science 2016, 354, 99.

22 Koppla samman transistorerna 22 En processor kan ha nästan 50 km ledningar för att länka samman alla miljarder transistorer

23 Koppla samman transistorerna 23

24 ALD av koppar 24 En översikt av de molekyler innehållande Cu som har designats för ALD P. G. Gordon et al. ECS J. Sol. Stat. Sci. Technol. 2015, 4, N3188.

25 Design av molekyler för ALD 25 Fem designprinciper: Låg smältpunkt Hög kemisk reaktivitet mot en yta Hög termisk stabilitet Flyktig lågt ångtryck Bilda ett stabilt monolager Prof. Seán Barry

26 Melting Point (C) Låg smältpunkt 26 W(CO) 5 R n npr = 3 60 W(CO) 6 Smältpunkt: 170 C solid liquid n nbu = npenn = 5 R. G. Gordon et al. Thin Solid Films 2001, 392, 231.

27 Hög kemisk reaktivitet mot en yta 27 Drivkraft för molekylen att reagera med yta genom bildandet av väldigt stabila enkla kolväten P. J. Pallister et al. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 1618.

28 Termisk stabilitet β-hydrid eliminering 28 A. Stegmüller, R. Tonner, Inorg. Chem. 2015, 54, Förångningstemp. Nedbrytningstemp. Mekanism 90 C >225 C b-hydrid 110 C >425 C alkanabstr. J. C. Coyle et al. Inorg. Chem. 2013, 52, 910.

29 Ångtryck 29 R smältpunkt C sublimations punkt C i Bu n Bu i Pr n Pr Flyktigheten hos en molekyl påverkas av storlek, förgrening och asymmetri. Z. Li et al. Inorg. Chem. 2005, 44, 1728.

30 Stabilt monolager 30 Heteroleptiska ligandsystem (olika sorters ligander kring metallatomen) bidrar till ökad stabilitet av ett monolager på en yta. M. B. E. Griffiths et al. Chem. Mater , 6116.

31 Enbart kontroll på deposition kommer inte att räcka! 31 Möjlig framtida transistor baserad på nanotrådar av kisel A. Hellemans, IEEE Spectrum 2013, 50, 14.

32 Atomlageretsning (ALEts) 32 Etsa bort atomer med samma precision som man deponerar med. S. M. George, Y. Lee, ACS Nano 2016, 10, 4889.

33 Area-selektiv ALD 33 A. J. Mackus et al. Nanoscale 2014, 6,

34 Area-selektiv ALD 34 Bild från Prof. Stacey Bent, Stanford.

35 Area-selektiv ALD 35 TBF = J. A. Singh et al. Chem. Mater. 2018, 30, 663.

36 Area-selektiv atomlagerprocessning Kan man både deponera och etsa med atomlagerprecision och dessutom göra det area-selektivt? 36 T. Faraz et al. ECS J. Sol. Stat. Sci. Technol. 2015, 4, N5023.

37 Men ALD är inte snabbt cm / månad 46 Å / s I bästa fall ca 1 Å per cykel En cykel tar i bästa fall ett par sekunder 0.2 Å/s Tack till Prof. Christope Dentavernier, University of Ghent, Belgien för den liknelsen 3mm / månad 11 Å / s 2 cm / år 6 Å / s

38 38 Utan ALD och all kemi som ALD använder hade vi inte haft dagens mikroelektronik

39 Tack för uppmärksamheten!