Массивная 3D-интеграция 2D-полупроводниковых транзисторов ускоряет действие закона Мура

Электроника и датчики INSIDER

Исследователи из штата Пенсильвания продемонстрировали 3D-интеграцию полупроводников в массовом масштабе, охарактеризовав десятки тысяч устройств, использующих 2D-транзисторы, изготовленные из 2D-полупроводников, что позволяет электронным гаджетам, возможно, стать умнее и универсальнее. (Изображение:Элизабет Флорес-Гомез Мюррей/Институт исследования материалов. Все права защищены)

Закон Мура, фундаментальный принцип масштабирования электронных устройств, предсказывает, что количество транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года, обеспечивая большую вычислительную мощность, но существует предел.

Самые совершенные сегодня чипы содержат около 50 миллиардов транзисторов, занимая пространство размером не больше ногтя вашего маленького пальца. По мнению исследователей из Пенсильванского университета, задача размещения еще большего количества транзисторов в этой ограниченной области становится все более и более сложной.

В исследовании, опубликованном 10 января 2024 года в журнале Nature. Саптарши Дас, доцент кафедры инженерных наук и механики и соавтор исследования, и его команда предлагают решение:плавно реализовать 3D-интеграцию с 2D-материалами.

В мире полупроводников 3D-интеграция означает вертикальное расположение нескольких слоев полупроводниковых устройств. Этот подход не только облегчает размещение большего количества кремниевых транзисторов в компьютерном чипе, что обычно называют «Больше Мура», но также позволяет использовать транзисторы, изготовленные из 2D-материалов, для реализации различных функциональных возможностей в различных слоях стека — концепция, известная как «Больше, чем Мур».

С помощью работы, изложенной в исследовании, Саптарши и его команда демонстрируют возможные пути, выходящие за рамки масштабирования существующих технологий, для достижения как «Больше Мура», так и «Больше, чем Мур» посредством монолитной 3D-интеграции. Монолитная 3D-интеграция – это процесс изготовления, при котором исследователи непосредственно создают каждое устройство на основе устройства, расположенного ниже, в отличие от традиционного процесса укладки независимо изготовленных слоев.

«Монолитная 3D-интеграция обеспечивает высочайшую плотность вертикальных соединений, поскольку она не предполагает склеивания двух предварительно нанесенных чипов — для чего потребуются микровыступы в местах соединения двух чипов — поэтому у вас есть больше места для создания соединений», — сказал Наджам Сакиб, научный сотрудник в области инженерных наук и механики и соавтор исследования.

Однако, по словам Дарсита Джаячандрана, научного сотрудника в области инженерных наук и механики и соавтора исследования, монолитная 3D-интеграция сталкивается с серьезными проблемами, поскольку обычные кремниевые компоненты плавятся при температурах обработки.

"Одной из проблем является предельная температура технологического процесса в 450 °C для серверной интеграции кремниевых чипов. Наш монолитный подход к 3D-интеграции значительно снижает эту температуру, до уровня менее 200 °C", - сказал Джаячандран, пояснив, что потолок технологической температуры - это максимально допустимая температура, прежде чем повредить сборные конструкции. «Несовместимые температурные режимы процесса усложняют монолитную 3D-интеграцию с кремниевыми чипами, но 2D-материалы могут выдерживать температуры, необходимые для процесса».

В своем подходе исследователи использовали существующие методы, но они первыми успешно достигли монолитной 3D-интеграции такого масштаба, используя 2D-транзисторы, изготовленные из 2D-полупроводников, называемых дихалькогенидами переходных металлов.

Возможность вертикального расположения устройств при 3D-интеграции также позволила повысить энергоэффективность вычислений, поскольку решила удивительную проблему таких крошечных вещей, как транзисторы на компьютерном чипе:расстояние.

«Складывая устройства вертикально друг на друга, вы уменьшаете расстояние между устройствами и, следовательно, уменьшаете задержку, а также энергопотребление», — сказал Рахул Пендурти, научный сотрудник в области инженерных наук и механики и соавтор исследования.

Уменьшив расстояние между устройствами, исследователи добились «Больше Мура». Включив транзисторы, изготовленные из 2D-материалов, исследователи также выполнили критерий «Больше, чем Мур». 2D-материалы известны своими уникальными электронными и оптическими свойствами, включая чувствительность к свету, что делает их идеальными в качестве датчиков. По словам исследователей, это полезно, поскольку количество подключенных устройств и периферийных устройств — таких, как смартфоны или беспроводные домашние метеостанции, которые собирают данные на «границе» сети — продолжает расти.

««Больше, чем Мур» относится к концепции в мире технологий, согласно которой мы не просто делаем компьютерные чипы меньше и быстрее, но и с большей функциональностью», — сказал Мухтасим Уль Карим Садаф, научный сотрудник в области инженерных наук и механики и соавтор исследования. «Речь идет о добавлении к нашим электронным устройствам новых и полезных функций, таких как улучшенные датчики, улучшенное управление зарядом батареи или другие специальные функции, чтобы сделать наши гаджеты более умными и универсальными».

По словам исследователей, использование 2D-устройств для 3D-интеграции имеет ряд других преимуществ. Одним из них является превосходная подвижность носителей, которая относится к тому, как электрический заряд переносится в полупроводниковых материалах. Другой вариант — ультратонкий, что позволяет исследователям разместить больше транзисторов на каждом уровне 3D-интеграции и обеспечить большую вычислительную мощность.

Хотя большинство академических исследований связано с созданием небольших прототипов, это исследование продемонстрировало 3D-интеграцию в огромных масштабах, характеризующую десятки тысяч устройств. По словам Даса, это достижение устраняет разрыв между академическими кругами и промышленностью и может привести к будущему партнерству, в котором промышленность будет использовать опыт и возможности Penn State в области 2D-материалов. Прогресс в области масштабирования стал возможен благодаря наличию высококачественных дихалькогенидов переходных металлов размером с пластину, разработанных исследователями из Консорциума двумерных кристаллов штата Пенсильвания (2DCC-MIP), Платформы инноваций в области материалов Национального научного фонда США (NSF) и национального пользовательского центра.

«Этот прорыв еще раз демонстрирует важную роль исследований материалов как основы полупроводниковой промышленности и конкурентоспособности США», — сказал Чарльз Ин, директор программы NSF «Платформы инноваций в области материалов». «Годы усилий Консорциума двумерных кристаллов Пенсильванского университета по улучшению качества и размеров 2D-материалов позволили добиться 3D-интеграции полупроводников такого размера, который может стать революционным для электроники».

По словам Даса, этот технологический прогресс — лишь первый шаг.

«Наша способность продемонстрировать в масштабе пластины огромное количество устройств показывает, что мы смогли перевести это исследование в масштаб, который может быть оценен полупроводниковой промышленностью», — сказал Дас. "Мы разместили 30 000 транзисторов на каждом уровне, что может быть рекордным числом. Это дает Пенсильванскому университету уникальную возможность возглавить часть работы и стать партнером полупроводниковой промышленности США в продвижении этих исследований".

Источник