Группа исследователей из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне разработала революционную технологию вертикального стекинга (послойного наслоения) высокопроизводительных кремниевых схем непосредственно друг на друга. Этот прорыв может помочь полупроводниковой индустрии продолжать наращивать вычислительную мощность процессоров не прибегая к дальнейшему физическому уменьшению транзисторов.
Разработка предлагает решение одной из самых серьезных проблем, с которой столкнулись чипмейкеры на фоне замедления закона Мура. Десятилетиями производительность росла за счет уменьшения элементов, но сейчас индустрия вплотную приблизилась к фундаментальным физическим границам кремния, где дальнейшая миниатюризация становится экономически и технически нецелесообразной.
Вместо уменьшения компонентов американские инженеры предложили строить чипы «вверх». Наслоение множества кремниевых контуров позволяет радикально увеличить плотность транзисторов, сократить расстояние для передачи сигналов внутри кристалла и существенно повысить энергоэффективность.
Доцент кафедры материаловедения и инженерии Цин Цао (Qing Cao) объясняет это на простом примере: «Возьмем такую простую вещь, как статическая оперативная память, которая повсеместно используется в процессорах и видеокартах. Сегодня для хранения одного бита информации требуется шесть микроэлектронных устройств, называемых транзисторами, расположенных на одной плоскости. Благодаря вертикальной интеграции их можно распределить по нескольким слоям. Это как заменить разросшийся пригород высотными зданиями: вы получаете ту же функциональность, но пространственная площадь уменьшается, а связь между слоями становится быстрее и эффективнее».
Хотя трехмерные технологии (3D-стекинг) уже применяются в коммерческих продуктах, они в основном полагаются на склеивание отдельно изготовленных кремниевых пластин. Такой метод создает относительно грубые и крупные соединения между слоями, что жестко ограничивает плотность интеграции.
Монолитная 3D-интеграция, разработанная в Иллинойсе, идет другим путем: каждый последующий слой схемы выращивается и формируется напрямую поверх предыдущего. Это позволяет создавать невероятно плотные вертикальные контакты и добиваться микронной точности выравнивания.
Главным препятствием для монолитных 3D-чипов всегда была температура. Производство стандартных высокопроизводительных кремниевых устройств требует нагрева до температур, близких к 1000 градусов Цельсия. Однако, как только первый слой схем и металлической проводки уже готов, любые последующие термические процессы не должны превышать 400 градусов Цельсия, иначе нижняя готовая структура попросту расплавится или деградирует.
Чтобы обойти этот тепловой барьер, исследователи разработали метод переноса ультратонких монокристаллических кремниевых наномембран на уже готовые слои микросхем. Процесс их химического соединения требует температуры не выше 200 градусов Цельсия, что с запасом укладывается в безопасный тепловой лимит.
Используя новую технологию, ученые успешно создали трехслойный стек, каждый уровень которого содержал по 625 кремниевых транзисторов. Процент выхода годных компонентов составил фантастические от 98% до 100%. При этом созданные при низких температурах транзисторы показали качества, полностью сопоставимые со стандартными аналогами, произведенными при 1000 °C.
Соединив слои сквозными вертикальными металлическими перемычками, исследователи на практике продемонстрировали работу трехмерных логических схем и ячеек памяти SRAM. По словам Цин Цао, созданные три слоя — это далеко не предел, и технология позволяет продолжать наращивать «этажи» микросхем дальше.
Результаты этого знакового исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature. Сейчас команда ученых активно работает над тем, чтобы перенести технологию из лаборатории на реальные коммерческие рельсы. Помощь в адаптации процесса под условия реальных полупроводниковых фабрик исследователям уже оказывают крупнейшие игроки ИТ-рынка — IBM, Intel и TSMC.