Laboratorio de EE.UU. desarrolla método de grabado con plasma para chips de nueva generación

El equipo de investigación del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton ha logrado un avance significativo en la fabricación de chips de computación de próxima generación mediante el desarrollo de un método de grabado con plasma químicamente asistido, según reveló un estudio publicado en el Journal of Physical Chemistry Letters.

La técnica aborda uno de los principales obstáculos en la manufactura de transistores que combinan silicio con dicalcogenuros de metales de transición, conocidos como TMD por sus siglas en inglés. Estos materiales requieren un proceso extremadamente preciso que elimine átomos únicamente de la capa superior de azufre mientras mantiene intactas las capas subyacentes, según explicó el equipo de investigación.

El método tradicional más común para este proceso utiliza plasma, un estado ionizado de la materia que también se encuentra en el Sol y las estrellas, y que ha sido objeto de estudio extensivo durante décadas en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton. Bajo condiciones cuidadosamente controladas, las partículas de plasma colisionan con la superficie del TMD y desprenden átomos de azufre.

Sin embargo, el proceso demanda un equilibrio delicado: muy poca fuerza no logra eliminar la capa de azufre, mientras que demasiada puede dañar la capa de molibdeno subyacente, comprometiendo el rendimiento del material, según indicaron los investigadores.

Lograr la eliminación limpia de la capa superior de azufre sin dañar las capas inferiores representa un desafío importante de manufactura debido a la estrecha ventana de proceso disponible. Utilizando simulaciones computacionales, el equipo de investigación descubrió que el pretratamiento del disulfuro de molibdeno con oxígeno o flúor mejora significativamente el control durante el proceso de grabado.

Los hallazgos publicados mostraron que los recubrimientos superficiales reducen sustancialmente la energía requerida para desprender átomos de azufre. En una superficie no tratada, eliminar un átomo de azufre requiere alrededor de 30 electronvoltios, pero ese umbral desciende a aproximadamente 10 electronvoltios con tratamiento de flúor y cerca de 14 electronvoltios con oxígeno, reduciendo el riesgo de dañar capas más profundas, según los datos del estudio.

Un umbral de energía más bajo resulta crucial porque los iones de plasma no impactan la superficie con niveles de energía idénticos; cierta variación es inevitable durante el proceso. En una superficie no tratada, el margen entre eliminar átomos de azufre y dañar la capa subyacente de molibdeno es extremadamente pequeño, lo que significa que algunos iones pueden causar fácilmente daño no deseado.

Reducir el umbral de eliminación de azufre a alrededor de 10 o 14 electronvoltios expande significativamente esa ventana de seguridad, proporcionando a los fabricantes un rango operativo más práctico en el cual la capa superior puede eliminarse limpiamente mientras se preserva la integridad estructural del material subyacente, según explicaron los investigadores.

En lugar de depender puramente de la fuerza física para eliminar átomos, los investigadores introdujeron un enfoque químicamente asistido. Cuando un ion entrante golpea una superficie de disulfuro de molibdeno recubierta con oxígeno, dos átomos de oxígeno reaccionan con un átomo de azufre cercano para formar dióxido de azufre, una molécula de gas estable que puede desprenderse y dispersarse naturalmente.

El flúor produce un efecto similar al crear compuestos de azufre-flúor que son más fáciles de eliminar. Según el autor principal Yury Polyachenko, este método funciona generando productos químicos intermedios que debilitan los enlaces, haciendo que los átomos de azufre sean mucho más fáciles de separar de la superficie.

La investigación ahora avanza desde la prueba de concepto hacia una evaluación más detallada de confiabilidad y escalabilidad. La prioridad inmediata es cuantificar el alcance de cualquier degradación del material causada por el proceso, en lugar de simplemente determinar si ocurre daño en absoluto, según indicó el equipo.

Más allá de eso, el equipo planea probar si el mismo enfoque químicamente asistido puede extenderse a una gama más amplia de materiales relacionados. Esto incluye sustituir molibdeno con tungsteno o reemplazar azufre con selenio en estructuras en capas similares, con el objetivo de evaluar qué tan universal podría ser la técnica y si puede soportar una clase más amplia de materiales semiconductores de próxima generación, según los planes de investigación futura.