Выращены многослойные 3D чипы

В электронной промышленности приближается предел количества транзисторов, которые можно разместить на поверхности компьютерного чипа. Поэтому производители микросхем стремятся наращивать, а не уменьшать их количество. Вместо того чтобы размещать всё более мелкие транзисторы на одной поверхности, производители стремятся размещать несколько поверхностей с транзисторами и полупроводниковыми элементами — это похоже на превращение одноэтажного дома в многоэтажный. Такие многослойные микросхемы могли бы обрабатывать в разы больше данных и выполнять гораздо более сложные функции, чем современная электроника.

Однако серьёзным препятствием является платформа, на которой создаются микросхемы. Сегодня в качестве основного каркаса, на котором выращиваются высококачественные монокристаллические полупроводниковые элементы, используются массивные кремниевые пластины. В состав любого многослойного чипа должен входить толстый кремниевый «пол» в качестве части каждого слоя, что замедляет передачу данных между функциональными полупроводниковыми слоями.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института нашли способ обойти это препятствие с помощью многослойной конструкции чипа, которая не требует подложки из кремниевой пластины и работает при достаточно низких температурах, чтобы сохранить схему нижнего слоя. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, команда сообщает об использовании нового метода для создания многослойного чипа с чередующимися слоями высококачественного полупроводникового материала, выращенными непосредственно друг над другом.

Этот метод позволяет инженерам создавать высокопроизводительные транзисторы, элементы памяти и логики на любой случайной кристаллической поверхности, а не только на громоздких кристаллических каркасах из кремниевых пластин. По словам исследователей, без этих толстых кремниевых подложек несколько полупроводниковых слоёв могут находиться в более тесном контакте, что приводит к более эффективной и быстрой передаче данных и вычислениям между слоями.

Исследователи предполагают, что этот метод можно использовать для создания аппаратного обеспечения ИИ в виде многослойных чипов для ноутбуков или носимых устройств, которые будут такими же быстрыми и мощными, как современные суперкомпьютеры, и смогут хранить огромные объёмы данных наравне с физическими центрами обработки данных.

«Этот прорыв открывает огромный потенциал для полупроводниковой промышленности, позволяя размещать микросхемы друг над другом без традиционных ограничений, — говорит автор исследования Джихван Ким, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте. — Это может привести к значительному увеличению вычислительной мощности для приложений в области искусственного интеллекта, логики и памяти».

В 2023 году группа Кима сообщила, что они разработали метод выращивания высококачественных полупроводниковых материалов на аморфных поверхностях, схожих с разнообразной топографией полупроводниковых схем на готовых чипах. Выращенный ими материал представлял собой разновидность двумерного материала, известного как дихалькогениды переходных металлов, или TMD, который считается многообещающим преемником кремния для изготовления более мелких и высокопроизводительных транзисторов. Такие двумерные материалы могут сохранять свои полупроводниковые свойства даже на уровне отдельных атомов, в то время как характеристики кремния резко ухудшаются.

В своей предыдущей работе команда выращивала TMD на кремниевых пластинах с аморфными покрытиями, а также поверх существующих TMD. Чтобы атомы располагались в высококачественной монокристаллической форме, а не в случайном поликристаллическом беспорядке, Ким и его коллеги сначала покрыли кремниевую пластину очень тонкой плёнкой, или «маской» из диоксида кремния, в которой они сделали крошечные отверстия, или карманы. Затем они пропустили поток атомов через маску и обнаружили, что атомы оседают в карманах в качестве «зародышей». В карманах семена росли в виде правильных монокристаллов. Но в то время этот метод работал только при температуре около 900 градусов по Цельсию.

«Вы должны выращивать этот монокристаллический материал при температуре ниже 400 градусов по Цельсию, иначе базовая схема полностью сварится и выйдет из строя, — говорит Ким. — Итак, наша задача заключалась в том, чтобы применить аналогичную технологию при температуре ниже 400 градусов по Цельсию. Если бы нам это удалось, эффект был бы значительным».

В своей новой работе Ким и его коллеги стремились усовершенствовать свой метод, чтобы выращивать монокристаллические двумерные материалы при достаточно низких температурах, чтобы сохранить любую базовую схему. Они нашли удивительно простое решение в металлургии — науке и ремесле производства металлов. Когда металлурги заливают расплавленный металл в форму, жидкость медленно «зарождается» или образует зёрна, которые растут и сливаются в кристалл с правильной структурой, который затвердевает. Металлурги обнаружили, что образование центров кристаллизации происходит наиболее легко по краям формы, в которую заливается жидкий металл.

Изображение: Massachusetts Institute of Technology

Команда исследователей решила вырастить монокристаллические TMD на кремниевой пластине, на которой уже были изготовлены транзисторные схемы. Сначала они покрыли схемы маской из диоксида кремния, как и в своей предыдущей работе. Затем они поместили «семена» TMD на края каждого кармана маски и обнаружили, что эти краевые «семена» вырастали в монокристаллический материал при температуре всего 380 градусов по Цельсию, в отличие от «семян», которые начинали расти в центре, вдали от краёв каждого кармана, и для формирования монокристаллического материала требовалась более высокая температура.

Сделав ещё один шаг вперёд, исследователи использовали новый метод для создания многослойного чипа с чередующимися слоями двух разных TMD — дисульфида молибдена, многообещающего материала для изготовления транзисторов n-типа, и диселенида вольфрама, материала, из которого можно изготовить транзисторы p-типа. Транзисторы p- и n-типа являются электронными строительными блоками для выполнения любых логических операций. Команда смогла вырастить оба материала в монокристаллической форме, прямо друг на друге, без использования промежуточных кремниевых пластин. Ким говорит, что этот метод позволит эффективно удвоить плотность полупроводниковых элементов микросхемы, в частности, металл-оксидных полупроводников (CMOS), которые являются базовым элементом современных логических схем.

«Продукт, созданный с помощью нашей технологии, — это не только 3D-логический чип, но и 3D-память, а также их комбинации, — говорит Ким. — С помощью нашего монолитного 3D-метода на основе выращивания вы можете создавать десятки и сотни логических слоёв и слоёв памяти друг над другом, и они смогут очень хорошо взаимодействовать».

«Обычные 3D-чипы изготавливаются с использованием кремниевых пластин, между которыми просверливаются отверстия. Этот процесс ограничивает количество слоёв, разрешение по вертикали и производительность, — добавляет первый автор исследования Кисок Ким. — Наш метод, основанный на выращивании, решает все эти проблемы одновременно».