На протяжении более чем полувека мощность компьютеров росла за счет уменьшения размеров транзисторов и их более плотной компоновки на плоских чипах. Этот подход оказался слишком эффективным. Сейчас устройства становятся настолько маленькими, что их возможности начинают ограничиваться атомными размерами и квантовыми эффектами.
Следующим прорывом может стать добавление нового измерения: вертикального наращивания. Укладывая друг на друга слои кремниевых схем, производители микросхем могут значительно увеличить плотность и скорость вычислений при одновременном снижении энергопотребления. Это многообещающий способ продлить действие закона Мура без дальнейшего уменьшения размеров транзисторов.
Профессор материаловедения и инженерии в компании Illinois Grainger Цин Цао объясняет: «Возьмем, к примеру, такую простую вещь, как статическая оперативная память, которая используется повсеместно в центральных и графических процессорах. Сегодня для хранения одного бита информации требуется шесть микроэлектронных устройств, называемых транзисторами, расположенных на одной плоскости. При вертикальной интеграции их можно распределить по нескольким слоям. Это как заменить обширный пригород высотными зданиями: функциональность та же, но занимаемая площадь уменьшается, а связь между слоями становится быстрее и эффективнее».
Наиболее эффективный подход, известный как монолитная трехмерная интеграция, предполагает создание каждого последующего слоя непосредственно поверх предыдущего для обеспечения максимальной межслойной связности. Однако добиться этого было непросто. Для подготовки высококачественного кремниевого материала и изготовления высокопроизводительных устройств обычно требуются процессы, при которых температура достигает 1000 градусов по Цельсию, что может привести к разрушению металлической проводки. Для всех последующих слоев, кроме первого, температурное ограничение, или «термический бюджет», составляет строго 400 градусов.
Группа исследователей из компании Illinois Grainger Engineering под руководством Цао доказала, что можно уложиться в этот лимит и при этом добиться высокой производительности устройств на разных уровнях. В их новом процессе используется монокристаллический кремний — основной полупроводник, применяемый в промышленности, — и он продемонстрировал выход годных устройств на уровне 98–100 % даже в условиях чистой комнаты в академической лаборатории, что указывает на большой потенциал для внедрения в производство.
«Вертикальная интеграция уже начинает внедряться в коммерческие устройства, особенно в специализированное оборудование для искусственного интеллекта, но именно монолитная интеграция позволяет в полной мере реализовать потенциал 3D-чипов, — сказал Цао. — Впервые мы добились соблюдения теплового бюджета при монолитной 3D-интеграции с использованием стандартного монокристаллического кремния и обеспечили беспрецедентную производительность».
На протяжении последних 60 лет в производстве микроэлектроники действовал закон Мура, согласно которому плотность транзисторов на кристалле удваивается каждые два года. Электронная промышленность взяла этот принцип за основу для повышения мощности и эффективности компьютерных процессоров. На протяжении десятилетий этот подход был успешным и стабильным, но сейчас появились признаки того, что тенденция начинает сбавлять обороты.
«В каком-то смысле мы достигли предела, установленного физикой, — сказал Цао. — Если посмотреть на реальный размер транзисторов, то можно увидеть, что они не становятся меньше, особенно с точки зрения расстояния между затворами. Это связано с тем, что мы сталкиваемся с ограничениями, обусловленными свойствами кремния и фундаментальными законами квантовой механики. Если мы хотим и дальше наращивать вычислительную мощность наших микропроцессоров, нам нужно перестать просто пытаться уместить больше устройств на одной поверхности».
Многие эксперты считают, что в будущем устройства будут объединяться по вертикали. Это даст возможность для расширения без дальнейшего уменьшения размеров отдельных устройств. Кроме того, сократится необходимая длина проводов, уменьшится паразитная емкость и значительно увеличится пропускная способность каналов связи между устройствами и блоками схем. Эти особенности дают решающее преимущество для искусственного интеллекта и других форм вычислений, требующих больших объемов данных.
«Если мы хотим и дальше наращивать вычислительную мощность наших микропроцессоров, нам нужно перестать думать только о том, как разместить больше устройств на одной поверхности».
Современные коммерческие трехмерные чипы производятся путем изготовления полупроводниковых устройств на отдельных подложках, а затем соединения этих подложек или кристаллов между собой. Несмотря на то, что такой подход позволил создать такие успешные продукты, как память с высокой пропускной способностью и трехмерные чипы V-Cache, у него есть существенные ограничения. Выравнивание между слоями неизбежно получается грубым, а вертикальные соединения между слоями на микронном уровне, называемые сквозными кремниевыми переходами, относительно крупные и редкие.
В монолитной трехмерной интеграции используется принципиально иной подход. Вместо того чтобы укладывать друг на друга целые пластины, каждый слой устройства последовательно создается непосредственно поверх предыдущего в процессе производства. Такой подход позволяет добиться гораздо более плотных (в 10–100 раз) межслойных вертикальных соединений, уменьшить расстояние между слоями и обеспечить точное межслойное выравнивание с точностью до нанометра.
Основным препятствием на пути к практической реализации этого процесса является температура. Для получения высококачественного кристаллического кремния, а затем и для изготовления высокопроизводительных полупроводниковых приборов требуется температура около 1000 градусов по Цельсию, в то время как металлические межсоединения, используемые для связи между приборами, плавятся при гораздо более низких температурах.
«Как правило, в отрасли принято считать, что после завершения работы над первым слоем схем допустимый температурный режим для любых последующих слоев составляет 400 градусов по Цельсию, — говорит Цао. — Исследователи как в академических, так и в промышленных кругах пытались обойти это ограничение, используя для верхних слоев не монокристаллический кремний, а другие полупроводниковые материалы. Но все полученные устройства неизбежно страдают от проблем с производительностью и надежностью».
Среди изученных альтернатив — поликристаллический кремний, аморфные или нанокристаллические оксиды металлов, а также наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки и двумерные полупроводники. Все они имеют ограничения, связанные либо с внутренними свойствами материала, либо с внешними дефектами, возникающими в процессе обработки и приводящими к несоответствию между нижним слоем кремниевых транзисторов, изготовленных на исходной подложке из кремниевой пластины, и верхними слоями.
Команда Illinois Grainger Engineering разработала процесс монолитной трехмерной интеграции с использованием стандартного монокристаллического кремния. Метод начинается с создания ультратонких автономных кремниевых наномембран из донорской пластины, которые затем переносятся на принимающую подложку, уже содержащую готовые схемы нижнего слоя, с помощью рулонного ламинатора. Для создания прочного соединения между подложкой и перенесенным слоем требуется температура не более 200 градусов Цельсия. В результате удалось сохранить высокую производительность и надежность при сохранении высокого качества кристаллической структуры кремниевых пленок, при этом процесс не выходил за рамки теплового бюджета.
«Наш метод не только проще в реализации и дешевле, но и имеет ряд преимуществ перед предыдущими подходами к укладке кремниевых пластин, — говорит Цао. — Толщина перенесенных нами мембран составляет всего 10 нанометров или меньше, в то время как толщина обычной пластины — от 500 до 700 микрометров. Благодаря своей тонкости эти мембраны обладают механической гибкостью и могут подстраиваться под поверхность, на которую они нанесены». Такое соответствие помогает избежать межфазных дефектов, таких как пустоты, которые часто возникают при попытке соединить две жесткие пластины методом межпластинчатого соединения.
Кроме того, команде пришлось переосмыслить конструкцию и процесс изготовления транзисторов. При традиционном производстве транзисторов используется процесс, известный как легирование, при котором в кремний вводятся примеси для контроля его электрических свойств. Это высокотемпературный процесс, при котором температура обычно превышает 600 градусов по Цельсию, и разные участки устройства легируются по-разному. Чтобы избежать этого, исследователи использовали так называемые «беспереходные транзисторы», в которых кремний равномерно и сильно легируется перед нанесением слоев. Поскольку пленки очень тонкие, затвор все равно может эффективно управлять каналом, а высокий уровень легирования снижает паразитное контактное сопротивление.
Используя этот метод, команда создала три многослойных структуры, каждая из которых содержала 625 транзисторов, с хорошей выходностью и однородностью. Плотность выходного тока этих транзисторов была сопоставима с плотностью тока стандартных кремниевых транзисторов, изготовленных на массивных пластинах при гораздо более высокой температуре, и как минимум в три-четыре раза превышала плотность тока монолитных устройств из альтернативных материалов, что свидетельствует о значительном улучшении характеристик. Соединив слои вертикальными металлическими линиями, исследователи продемонстрировали трехмерные интегральные логические схемы и ячейки статической оперативной памяти.