Исследователи из Университета Иллинойса представили технологию создания трехмерных кремниевых микросхем, которая позволяет размещать транзисторы друг над другом и тем самым значительно увеличивать плотность электронных компонентов. Работа описывает способ изготовления полноценных 3D-чипов без использования экзотических материалов и высокотемпературных процессов, которые долгое время считались главным препятствием для массового внедрения подобных решений. Статья под заголовком «Монолитная трехмерная интегральная схема на кремниевых транзисторах» опубликована в журнале Nature.
В основе разработки лежат сверхтонкие кремниевые мембраны толщиной около 10 нанометров. Их переносят на уже готовые слои схем при температуре ниже 200°C. Такой подход позволяет не повреждать расположенные ниже элементы и формировать новые уровни транзисторов непосредственно поверх существующих.
Вместо традиционных MOSFET-транзисторов ученые использовали так называемые беспереходные (junctionless) транзисторы. В них отсутствуют p-n переходы, для формирования которых обычно требуется высокотемпературная обработка. Благодаря этому стало возможным создание многослойных кремниевых структур без риска разрушения нижних уровней схемы.
Память стала втрое компактнее
Команда изготовила три слоя транзисторов на кремниевой пластине диаметром 75 мм. Каждый уровень содержал по 625 транзисторов. На их основе были созданы логические элементы, включая инверторы, NAND- и NOR-вентили, а также ячейки статической памяти SRAM. Вертикальные соединения между слоями выравнивались с точностью менее 10 нанометров.
Особенно впечатляющим оказался результат для памяти: разработчикам удалось создать шеститранзисторную ячейку SRAM, занимающую примерно треть площади аналогичной двумерной схемы. Это означает возможность существенного увеличения объема памяти и вычислительной мощности без роста размеров чипов.
Плотность тока в новых транзисторах превысила 650 мА на микрометр, что сопоставимо с характеристиками коммерческих кремниевых транзисторов предыдущих поколений. По мнению авторов работы, дальнейшая оптимизация позволит приблизить показатели к современным промышленным решениям.
Технология особенно интересна для систем искусственного интеллекта. При вертикальном размещении вычислительных блоков расстояние между ними сокращается, уменьшаются задержки передачи данных и энергопотребление — одна из главных проблем современных ИИ-ускорителей.
Инженерный контекст
Уже сегодня трехмерная интеграция активно используется в памяти типа HBM и 3D NAND, однако в большинстве случаев речь идет о соединении готовых кристаллов, а не о формировании транзисторов непосредственно друг над другом.
По оценкам специалистов, сокращение длины межсоединений в 3D-чипах может уменьшать энергозатраты на передачу сигналов в десятки раз.
Эксперты считают, что совершенствование монолитных 3D-микросхем может стать одним из способов продлить действие закона Мура после замедления традиционного масштабирования транзисторов.
Закон Мура — сделанное еще в 1965 году эмпирическое наблюдение сооснователя компании Intel Гордона Мура, согласно которому число чипов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, должно удваиваться в среднем за два года.
Недавно мы рассказали про сверхчуткий электронный нос — транзисторный газоанализатор российского производства.
