Соблюдение закона Мура чуть не остановилось из-за физических ограничений в производстве полупроводников, однако исследователи уже торопятся удержать этот десятилетиями работавший принцип за ускользающий край любыми возможными методами, включая трёхмерную компоновку чипов. Но со стековой технологией полупроводников связано множество трудностей, в первую очередь температурных. Учёные из Соединённых Штатов сумели преодолеть это препятствие, представив 3D-чипы как нечто наподобие луковицы, состоящей из ультратонких кремниевых мембран.
Источник изображения: University of Illinois Grainger College of Engineering
О разработке и создании действующего прототипа необычного 3D-чипа рассказали исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера Иллинойсского университета (University of Illinois Grainger College of Engineering). В целом концепция не нова: они предложили формировать кремниевые микросхемы не только в горизонтальной плоскости, но и последовательно наращивать их вверх, слой за слоем. Предложение учёных ближе к монолитной трёхмерной интеграции, чем к объединению отдельных кристаллов: новые транзисторные уровни создаются непосредственно поверх уже готовых нижних схем, а не изготавливаются отдельно и затем соединяются, как в обычных 3D-сборках.
Основное препятствие для всех подобных технологий — это температура производственных процессов. Качественные кремниевые транзисторы обычно требуют отжига при температуре около 1000 °C, однако после изготовления первого слоя на кристалле уже имеется металлическая разводка, которую такие температуры разрушат. В промышленности для последующих слоёв обычно устанавливают предел около 400 °C. Команда из Иллинойса обошла это ограничение: они применили сверхтонкие отдельные мембраны монокристаллического кремния толщиной 10 нм или меньше и переносили их с донорной пластины на подложку с уже готовой схемой с помощью роликового ламинатора, а прочное соединение достигалось при температуре не выше 200 °C.
Ключевая особенность разработки заключается в том, что исследователи оставили стандартный монокристаллический кремний, не заменяя верхние слои на поликристаллический кремний, аморфные оксиды, углеродные нанотрубки или двумерные полупроводники. Такие альтернативы исследуются уже давно, однако они часто уступают обычному кремнию по показателям стабильности, количеству дефектов и рабочим характеристикам. Помимо этого, учёным пришлось переработать архитектуру транзисторов: вместо традиционного легирования отдельных участков, требующего нагрева свыше 600 °C, они применили «безпереходные» транзисторы, где тонкая кремниевая плёнка изначально равномерно и интенсивно легировалась. Из-за предельно малой толщины этого слоя транзисторы сохранили способность эффективно управлять каналами.
Чтобы продемонстрировать технологию, специалисты собрали стековый чип из трёх слоёв, размещённых друг над другом, причём каждый слой содержал 625 транзисторов. Выход годных изделий достиг 98–100 %, даже несмотря на то, что производство велось в университетской лаборатории. Показатели плотности тока в чипе оказались сравнимы с теми, что фиксируются в стандартных кремниевых транзисторах на обычных пластинах, и как минимум в 3–4 раза превышают аналогичные параметры монолитных 3D-чипов на основе альтернативных материалов.
Потенциальное преимущество предложенного метода заключается в создании более плотных CPU, GPU и AI-ускорителей: монолитная 3D-интеграция обеспечивает межслойные соединения, которые примерно в 10–100 раз плотнее традиционных TSV-переходов в современных 3D-чипах. Сейчас технологию готовят к внедрению в промышленность, и интерес к ней уже проявили такие компании, как IBM, Intel и TSMC.
