Один біт інформації. Шість транзисторів. І ціла площа кремнієвої пластини, яку вже неможливо зменшити, бо на шляху закони квантової фізики. Так виглядав тупик, у який заїхала напівпровідникова індустрія після шістдесяти років безперервного зростання. Аж раптом інженери з університету Іллінойсу підняли голову вгору. І побачили там простір, якого вистачить на десятиліття вперед.
Понад шістдесят років чіпи розвивалися за одним сценарієм: транзистори ставали меншими, а їхня кількість на квадратний сантиметр зростала вдвічі приблизно кожні два роки. Це було спостереження інженера Інтела Гордона Мура, яке перетворилося на пророцтво, а потім на стандарт. Воно подарувало нам смартфони, штучний інтелект, стрімінг у 4K і автономні автомобілі. Але фізика не вміє поступатися. Коли розмір транзисторів наблизився до атомних масштабів, кремній почав бунтувати. Квантові ефекти спотворювали сигнали. Матеріал досяг межі власних властивостей. Індустрія опинилася перед вибором: або змиритися зі стагнацією, або змінити саму логіку будівництва.
Команда під керівництвом професора матеріалознавства Ціна Цао з Інженерного коледжу Грейнджера при Університеті Іллінойсу обрала другий шлях. Їхня ідея була напрочуд елегантною: якщо неможливо розширитися вшир, треба будувати вгору. Вони продемонстрували метод монолітної тривимірної інтеграції, який дозволяє нанизувати шари кремнієвої електроніки один на одного так, ніби замість розпланованого передмістя з одноповерхових будинків виростити хмарочос. Результати дослідження, опубліковані у престижному журналі Nature, вражають навіть за мірками високих технологій. Журнал рідко друкує статті про кремнієву мікроелектроніку і це само по собі сигнал про вагу відкриття.
Небоскреби замість передмість
Нова технологія досягла виходу придатних пристроїв на рівні 98100%, використовуючи стандартний монокристалічний кремній той самий матеріал, на якому тримається сучасна електроніка. Це означає, що метод може бути сумісним із існуючими заводами-виробниками чіпів, а не вимагати повної перебудови індустрії чи заміни обладнання.
«Візьміть звичайну статичну память із довільним доступом, яка є в кожному процесорі та графічному чіпі. Сьогодні для зберігання одного біта потрібно шість транзисторів на одній площині. З вертикальною інтеграцією ви розподіляєте їх між кількома шарами. Це як замінити розлоге передмістя на хмарочоси: та сама функціональність, але менший просторовий слід, швидший і ефективніший звязок між шарами».
Ці слова Цао пояснюють суть відкриття простою метафорою. Але за нею стоїть інженерна проблема, яку науковці намагалися розвязати десятиліттями. І кожна попередня спроба зупинялася на одній і тій самій перешкоді.
Проблема, яка плавила метал
Ідея вертикального штабелювання чіпів не нова. Вже зараз на ринку існують тривимірні рішення наприклад, високопродуктивна память HBM або технологія AMD 3D V-Cache. Але всі вони використовують так зване склеювання пластин: окремі шари виготовляють на різних підкладках, а потім механічно зєднують. Це працює, але має фундаментальні обмеження. Вертикальні зєднання крізь-кремнієві переходи виходять відносно великими та рідкими, а точність вирівнювання шарів вимірюється мікрометрами, а не нанометрами.
Монолітна інтеграція пропонує радикально інший підхід: кожен новий шар пристроїв створюється безпосередньо поверх попереднього, як поверхи в будівлі, що зводиться поверх за поверхом. Це дозволяє збільшити щільність вертикальних зєднань у десятки чи навіть сотні разів порівняно з традиційними методами. Єдине питання як це зробити, не розплавивши те, що вже зроблено.
Адже виробництво високоякісного кристалічного кремнію зазвичай вимагає температур близько 1000°C. Але коли перший шар уже містить металеві міжзєднання, такий нагрів перетворює чіп на купу сплаву. Індустрія вважає, що після завершення першого шару «термобюджет» для додаткових верств не може перевищувати 400 °C. Досі жодна команда не могла втиснутися в цей коридор, зберігши при цьому продуктивність монокристалічного кремнію.
Попередні дослідники пробували обійти обмеження, звертаючись до полікристалічного кремнію, аморфних оксидів, вуглецевих нанотрубок чи двовимірних напівпровідників. Усі ці матеріали або втрачали швидкість, або накопичували дефекти, або просто не відповідали вимогам високопродуктивної логіки. Альтернатива виглядала безвихіддю. До вчорашнього дня.
Мембрани товщиною в 10 нанометрів
Іллінойська команда знайшла вихід, який виглядає майже контрінтуїтивно: вони почали з надтонких вільно стоячих кремнієвих наномембран, вирізаних із донорної пластини. Товщина кожної мембрани 10 нанометрів або менше. Для порівняння: типова кремнієва пластина має товщину 500700 мікрометрів. Це різниця в пятдесят тисяч разів. Такий шар кремнію вже не схожий на жорстку пластину він гнучкий, як найтонша плівка.
Ці мембрани переносять на готову підкладку з уже виготовленою схемою за допомогою рулонного ламінатора пристрою, принцип роботи якого схожий на той, що клеїть захисну плівку на екран смартфона. Процес зчеплення вимагає температури не вище 200 °C, що вдвічі нижче за промисловий ліміт і в пять разів нижче за звичайні технології вирощування кристалів.
- Надтонкі мембрани завтовшки до 10 нм, вони залишаються гнучкими та повторюють рельєф нижнього шару, уникаючи дефектів і порожнеч, які неминучі при зєднанні двох жорстких пластин
- Низькотемпературне зчеплення процес при 200 °C зберігає металеві міжзєднання нижніх шарів неушкодженими, не викликаючи дифузії або плавлення
- Монокристалічна структура кремній зберігає свої електронні властивості, не поступаючись полікристалічним або аморфним альтернативам, які давали більше дефектів
- Транзистори без p-n переходів команда використала junctionless-архітектуру з високим рівнем легування, що дозволило обійти допінг при температурах понад 600 °C
У підсумку дослідники створили три шари по 625 транзисторів у кожному. Вихід придатних пристроїв досягнув 98100%. Щільність струму відповідала показникам звичайних транзисторів, виготовлених при набагато вищих температурах, і перевищувала результати альтернативних матеріалів у 34 рази. Шари зєднали вертикальними металевими переходами та продемонстрували роботу тривимірних логічних кіл і комірок статичної памяті. Система працювала не в теорії, а в реальному зразку.
Хто чекає на цю технологію
Найважливіше в цьому відкритті не лише лабораторний успіх, а масштабованість. Професор Цао підкреслює: демонстрація з трьома шарами це початок, а не стеля. Процес дозволяє нарощувати висоту далі, зберігаючи високу продуктивність, низьку варіативність і промислову придатність.
Робота велася в рамках Центру перспективних напівпровідникових чіпів із прискореною продуктивністю при Університеті Іллінойсу. Серед промислових партнерів центру IBM, Intel і Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Це означає, що технологія вже перебуває в полі зору тих, хто виробляє процесори для вашого ноутбука, дата-центрів і систем штучного інтелекту. Фінансування досліджень також надійшло від Національного наукового фонду США та інших інституцій.
Наступний крок передача процесу в промислову напівпровідникову фабрику. Якщо все піде за планом, монолітні 3D-чіпи з кремнію перейдуть із наукових журналів на конвеєри. Для галузі, яка готувалася до сповільнення, це еквівалент відкриття нового континенту.
Штучний інтелект, наукові симуляції, обробка великих даних усі ці галузі страждають від одного й того самого вузького горлища: пропускної здатності між памяттю і процесором. Тривимірна монолітна інтеграція скорочує відстань між компонентами в десятки разів. Дані перестають долати кілометри дроту всередині чіпа і починають спілкуватися вертикально швидше, з меншими втратами енергії та меншим тепловиділенням.
Закон Мура вижив.
Але світ, у якому він працює відтепер, обємний.
І перший поверх уже побудовано.
Про автора
