«Многоэтажная» технология чипов помогла обойти закон Мура
Долгое время вычислительная мощность чипов росла, а их размеры уменьшались в соответствии с законом Мура, по которому число транзисторов на кристалле удваивается каждые два года. С каждым годом прогресс все меньше подчинялся этому закону, пока не столкнулся с фундаментальными ограничениями — величиной атомов и квантовыми эффектами, которые не дают дальше миниатюризировать транзисторы. Остается одно — не просто уплотнять схемы горизонтально, но и наслаивать их вертикально.
«Возьмем, к примеру, статическую оперативную память — она повсеместно используется в CPU и GPU. Сейчас для хранения одного бита информации на одной плоскости требуется шесть транзисторов. При вертикальной интеграции их можно распределить по нескольким слоям. Это все равно что заменить разрастающийся пригород высотными зданиями — функциональность та же, но занимаемое место сокращается, а обмен данными между уровнями становится быстрее и эффективнее», — говорит инженер-материаловед Цин Цао из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (UIUC).
Легко сказать — но до последнего времени не удавалось реализовать технически. Процесс изготовления требует нагрева до 1000 °C, что разрушает нижние слои — так называемый «тепловой бюджет» не должен превышать 400 °C. В Инженерном колледже Грейнджера UIUC проблему решили, о чем рассказали в журнале Nature.
«Впервые мы уложились в тепловой бюджет монолитной 3D-интеграции с использованием стандартного монокристаллического кремния и получили беспрецедентную производительность», — доволен ученый.
По его словам, выход годных чипов по новой технологии достигает 98–100% — и это в лабораторных, далеких от идеальных условиях.
Многослойные микросхемы уже выпускают серийно — но по старинке: изготавливают отдельные пластины с транзисторами, а затем их соединяют между собой. Получается не очень, потому что невозможно создать вертикальные соединения приемлемой плотности и точности. Монолитная трехмерная интеграция предполагает, что каждый слой приборов последовательно строится прямо поверх предыдущего — это позволяет получить в 10–100 раз более плотные вертикальные соединения, меньшее расстояние между уровнями и точное совмещение с точностью до нанометров. Но непреодолимое препятствие — тепловой бюджет: проводники плавятся.
В попытках его обойти пробовали разные полупроводниковые материалы для верхних слоев — поликристаллический кремний, аморфные или нанокристаллические оксиды металлов, а также наноматериалы вроде углеродных нанотрубок и двумерных полупроводников. У всех есть ограничения, связанные либо с внутренними свойствами материалов, либо с дефектами, возникающими при обработке.
Метод, разработанный в Иллинойcском университете, начинается с создания сверхтонких самонесущих кремниевых наномембран на донорной пластине. С помощью ламинатора с валками эти мембраны переносятся на подложку с готовой нижней схемой. Для прочного соединения подложки и перенесенного слоя требуется не более 200 °C. В результате высокая производительность и надежность сохраняются благодаря кристаллическому качеству кремниевых пленок, а процесс остается в пределах теплового бюджета.
«Наш метод не только проще и дешевле в реализации, но и имеет несколько преимуществ перед прежними подходами к наслоению кремниевых пластин. Переносимые нами мембраны имеют толщину всего 10 нанометров или меньше, тогда как обычная пластина — 500–700 микрометров. Благодаря своей тонкости эти мембраны механически гибкие и повторяют рельеф нижележащей поверхности. Это помогает избежать межфазовых дефектов вроде пустот, которые часто возникают, когда пытаются принудительно соединить две жесткие пластины», — объясняет исследователь.
Изготовление и конструкцию транзисторов пришлось также подвергнуть переосмыслению. Легирование кремния — тоже высокотемпературный процесс, обычно выше 600 °C. Поэтому придумали так называемые «беспереходные» транзисторы из кремния, который легирован заранее и с избытком, а благодаря очень тонким пленкам электрические параметры их не ухудшились.
Используя этот метод, команда создала три сложенных слоя по 625 транзисторов в каждом — с хорошим выходом годных и однородностью. Плотности выходного тока этих транзисторов сопоставимы с показателями обычных кремниевых транзисторов, изготовленных на массивных пластинах при гораздо более высоких температурах, и в три-четыре раза превышают показатели монолитных приборов из альтернативных материалов. Соединив слои вертикальными металлическими линиями, продемонстрировали трехмерные интегральные логические схемы и ячейки статической оперативной памяти.
«Но самое главное — мы показали, что этот процесс масштабируется. Можно продолжать наслаивать уровни больше трех. Процесс будет давать высокопроизводительные транзисторы с высоким выходом годных и низкими отклонениями. Теперь у нас есть прочный фундамент для передачи этой технологии и демонстрации ее непосредственных перспектив на промышленном полупроводниковом производстве», — заключил Цао.