Следование закону Мура едва не прервалось из-за физических ограничений современных полупроводников. Однако ученые ищут способы удержать темпы прогресса, активно разрабатывая методы 3D-компоновки чипов. Одной из главных проблем стекового производства до сих пор оставался температурный режим. Исследователи из США нашли решение, представив архитектуру 3D-чипов, напоминающую многослойную луковицу из тончайших кремниевых мембран.
Разработкой и созданием рабочего прототипа занялись ученые из Инженерного колледжа Грейнджера Иллинойсского университета. Сама идея не нова: специалисты предложили создавать микросхемы не только в горизонтальной плоскости, но и наращивать их вертикально, слой за слоем. Данный подход ближе к монолитной трехмерной интеграции, чем к традиционному соединению отдельных кристаллов: уровни транзисторов формируются прямо поверх готовых нижних схем.
Преодоление температурного барьера
Основным препятствием для таких технологий была температура производственных процессов. Качественные кремниевые транзисторы требуют отжига при температуре около 1000 °C, что критично для металлической разводки нижних слоев, которая разрушается уже при 400 °C. Команда из Иллинойса решила эту проблему, используя сверхтонкие мембраны монокристаллического кремния толщиной 10 нм и менее.
Их переносили с донорной пластины на подложку с готовой схемой при помощи роликового ламинатора. Прочное соединение при этом достигалось при температуре не выше 200 °C.
Преимущества перед альтернативными материалами
Важнейшим достижением проекта стало использование именно стандартного монокристаллического кремния, а не поликристаллических аналогов, аморфных оксидов или 2D-полупроводников. Хотя альтернативы активно изучаются, они часто уступают классическому кремнию по стабильности, количеству дефектов и производительности. Чтобы избежать необходимости легирования при высоких температурах (свыше 600 °C), ученые применили «безпереходные» транзисторы. Тонкая пленка кремния легировалась заранее, а малая толщина материала позволила сохранить эффективное управление каналами.
В ходе испытаний исследователи создали стековый чип из трех слоев, каждый из которых включал 625 транзисторов. Процент выхода годных элементов составил 98–100% даже в лабораторных условиях. Плотность тока в таком чипе оказалась сопоставима с показателями обычных транзисторов и в 3–4 раза превысила результаты монолитных 3D-чипов из других материалов.
Технология открывает путь к созданию сверхплотных CPU, GPU и ИИ-ускорителей, так как монолитная 3D-интеграция обеспечивает межслойные соединения в 10–100 раз плотнее, чем современные TSV-переходы. Сейчас разработчики готовят процесс к промышленному внедрению, а интерес к проекту уже проявили такие гиганты, как IBM, Intel и TSMC.
