Исследовательская группа из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн недавно объявила, что ей удалось вертикально разместить три активных слоя кремниевой схемы на кремниевом чипе и достичь выхода транзистора примерно от 98% до 100%. Считается, что это открывает новый инженерный путь к увеличению плотности вычислительной мощности чипа в контексте закона Мура, приближающегося к физическому пределу.
Это достижение было достигнуто командой Цин Цао, профессора кафедры материаловедения и инженерии Инженерной школы Грейнджера. Основная идея состоит не в том, чтобы продолжать уменьшать размер устройства в двухмерной плоскости, а в том, чтобы «выстроить вверх» схему и построить однокристальную трехмерную интегральную структуру посредством низкотемпературной послойной укладки пленок монокристаллического кремния.
В течение последних шестидесяти лет «регулярное удвоение числа транзисторов», описанное законом Мура, основывалось на непрерывном уменьшении размеров элементов устройства на плоской кремниевой пластине, но теперь этот путь масштабирования сталкивается с жесткими ограничениями со стороны квантовых эффектов и свойств самого кремниевого материала. Цао Цин отметил, что с точки зрения ключевых параметров процесса, таких как расстояние между контактными затворами, транзисторы в современных процессах «сложно сделать меньше». Проблема больше не в готовности процесса, а «в зависимости от присущих кремнию материальных свойств и основных законов квантовой механики».
В этом контексте трехмерная интеграция рассматривается как одно из важных направлений дальнейшего повышения плотности вычислений. Путем размещения ячеек логики и памяти в вертикальном направлении разработчики микросхем могут не только разместить больше транзисторов на той же площади, но и значительно сократить пути соединения между уровнями, тем самым увеличивая пропускную способность и уменьшая задержку. В настоящее время отрасль внедрила технологию многоядерных микросхем в таких продуктах, как память с высокой пропускной способностью (HBM) и 3D V-Cache от AMD. Однако большинство этих решений основаны на соединении между пластинами или кристаллами. Ограниченный размером и точностью выравнивания сквозных кремниевых переходных отверстий (TSV), существует потолок плотности межслойных соединений.
В отличие от существующей технологии укладки, команда Цао Цина принимает идею «монолитной 3D-интеграции», то есть создание нового слоя активных монокристаллических кремниевых устройств непосредственно на поверхности подложки, на которой завершен слой схем и металлических межсоединений, и достижение тонких вертикальных межсоединений через металл высокой плотности через отверстия. Эта идея уже давно связана с тепловым бюджетом: традиционные высокопроизводительные кремниевые процессы часто требуют высоких температур, близких к 1000 градусов Цельсия, и в отрасли обычно считают, что после завершения первого слоя схем и металлов нагрев более чем примерно на 400 градусов Цельсия приведет к неприемлемому повреждению существующей структуры. Чтобы обойти эту проблему, некоторые исследования обратились к использованию новых материалов для изготовления устройств верхнего уровня, но эти устройства, как правило, не такие быстрые и надежные, как базовый кремний, что влияет на общую производительность.
Команда Цао Цина решила продолжить использование монокристаллического кремния, но изменила «метод загрузки пластин». Исследователи сначала приготовили ультратонкие нанопленки монокристаллического кремния на донорской пластине, отделили их от пластины на независимые самонесущие пленки, а затем использовали процесс переноса с рулона на рулон, аналогичный «ламинирующей машине», для ламинирования этих пленок на поверхность обработанной целевой пластины при температуре не более 200 градусов Цельсия. Благодаря сохранению монокристаллической структуры эти пленки после обработки устройства демонстрируют электрические свойства, аналогичные обычным высокотемпературным кремниевым транзисторам, одновременно отвечая строгим требованиям теплового баланса монолитной трехмерной интеграции.
Физическая форма конструкции устройства также является большим преимуществом. В отличие от традиционной технологии штабелирования, которая требует обработки целых пластин толщиной от 500 до 700 микрон, толщина кремниевой нанопленки, используемой командой, составляет всего около 10 нанометров. В этом масштабе кремниевая пленка способна изгибаться и соответствовать малейшим неровностям нижележащей поверхности схемы, обеспечивая более плотное прилегание и снижая риск образования пустот и пустот, характерных для соединения жестких пластин. Исследовательская группа отметила, что эта форма упрощает технологический процесс, снижает потенциальную стоимость и более способствует масштабированию до массового производства на уровне пластин.
Чтобы дополнительно контролировать температуру процесса в безопасном диапазоне, команда также внесла изменения в архитектуру транзисторов. Традиционный процесс КМОП основан на многократном высокотемпературном легировании для формирования области перехода исток-сток, но в этом исследовании используется решение «безпереходного транзистора», которое включает в себя высокую концентрацию и равномерное легирование ультратонких кремниевых пленок перед укладкой, а затем весь канал контролируется через затвор. Сверхтонкая толщина канала помогает достичь эффективного управления затвором, а высокий уровень легирования помогает снизить контактное сопротивление с учетом характеристик проводимости и достижимости процесса.
Исходя из этого, исследовательская группа собрала три слоя схем на одном чипе, каждый слой содержал 625 транзисторов, и последовательно соединила трехслойную структуру в целостную схему через вертикальные металлические соединения. Результаты испытаний показывают, что трехслойный транзистор эквивалентен объемному кремниевому устройству традиционного высокотемпературного процесса по таким ключевым показателям, как плотность выходного тока. В то же время он демонстрирует хорошую стабильность и чрезвычайно высокую производительность в пределах диапазона чипов. Производительность устройства как минимум в три-четыре раза выше, чем у монолитных трехмерных устройств с использованием альтернативных материалов. На основе этих составных устройств команда добилась проверки прототипов трехмерных логических схем и ячеек статической оперативной памяти (SRAM).
Пример SRAM интуитивно отражает архитектурные преимущества трехмерной интеграции. Цао Цин сказал, что, взяв в качестве примера статическую оперативную память, широко используемую в процессорах и графических процессорах, традиционная SRAM требует расположения шести транзисторов в одной плоскости для хранения одного бита информации. Благодаря вертикальной интеграции эти шесть устройств можно распределить на несколько уровней, «например, заменяя пригородные жилые районы высотными зданиями, чтобы распределить пирог». Это позволяет значительно уменьшить занимаемую площадь при сохранении тех же функций, при этом повысив эффективность межуровневой связи.
Исследовательская группа подчеркнула, что значимость этого достижения заключается в «массовом производстве», а не в разовой демонстрации в лаборатории. В демонстрируемой в настоящее время трехслойной структуре производительность устройства достигает от 98% до 100%, а колебания производительности между устройствами невелики. Теоретически этот процесс также может продолжать накладывать больше слоев схемы поверх существующих трех слоев, сохраняя при этом высокую скорость и согласованность. Это закладывает основу для передачи процесса на литейные заводы и перехода к реальным линиям по производству полупроводников в будущем.
Проект продвигается Центром передовых полупроводниковых чипов с повышенной производительностью при Инженерной школе Грейнджера Университета Иллинойса. В число промышленных партнеров центра входят крупные компании-производители микросхем, такие как IBM, Intel и TSMC. В настоящее время исследователи планируют внедрить эту однокристальную трехмерную интегрированную технологию монокристаллического кремния в литейную систему промышленного уровня. Если его удастся успешно реализовать, ожидается, что в будущем этот новый трехмерный кремниевый чип «растет вверх» в коммерческих чипах, ища новую форму расширения закона Мура в посткремниевую эпоху.