Современные технологии производства компьютерных чипов сталкиваются с ограничениями: количество транзисторов, которое можно разместить на плоской поверхности, почти достигло своего предела. Чтобы преодолеть эту проблему, разработчики чипов начали рассматривать возможность перехода от двумерных структур к трехмерным, укладывая слои транзисторов и полупроводниковых компонентов поверх друг друга, подобно тому, как городские здания переходят от одноэтажных построек к небоскребам.
Многослойные чипы обладают огромным потенциалом: они способны обрабатывать намного больше данных и выполнять более сложные задачи по сравнению с традиционной электроникой. Однако главным препятствием оставалась необходимость использования массивных кремниевых подложек, на которых традиционно создаются электронные компоненты. Эти толстые подложки замедляют взаимодействие между различными уровнями чипа.
Команда инженеров из Массачусетского технологического института нашла решение этой проблемы. В статье, опубликованной в журнале Nature, они представили новый метод создания многослойных чипов, который исключает использование кремниевых подложек и позволяет работать при сравнительно низких температурах, сохраняя целостность базовых слоев схемы.
Их инновационный подход заключается в создании многослойной структуры, где каждый слой высококачественных полупроводниковых материалов выращивается прямо поверх предыдущего. Это позволяет формировать высокопроизводительные транзисторы, элементы памяти и логические блоки практически на любой кристаллической поверхности, а не только на тяжелых кремниевых пластинах.
Отказ от громоздких подложек обеспечивает более тесный контакт между слоями, что существенно ускоряет передачу сигналов и улучшает общую производительность системы. Исследователи считают, что их разработка способна революционизировать производство чипов для таких областей, как искусственный интеллект, логика и память.
«Эта технология устраняет традиционные ограничения полупроводниковой индустрии, – отмечает Джихван Ким, доцент кафедры машиностроения в MIT. – Она дает возможность многократно увеличить вычислительную мощность для задач искусственного интеллекта, логических операций и хранения данных, делая будущие устройства такими же производительными, как современные суперкомпьютеры, но при этом компактными и энергоэффективными».
Такой прорыв имеет огромное значение для развития технологий будущего, предоставляя возможности для создания мощных и миниатюрных устройств, способных решать самые сложные задачи.
Соавторы исследования в MIT включают первого автора Ки Сок Кима, а также Сынхвана Со, Доюн Ли, Чон-Эля Рю, Джекюна Кима, Джун Мина Су, Джун-Чула Шина, Мин-Кю Сонга, Цзинь Фенга и Санхо Ли. Кроме них, в проекте участвовали специалисты из Института передовых технологий Samsung, Университета Сонгюнгван в Южной Корее и Техасского университета в Далласе.
В 2023 году группа под руководством профессора Кима представила методику выращивания высококачественных полупроводниковых материалов на аморфных поверхностях, что позволило создавать разнообразные топологии полупроводниковых схем на уже готовых чипах. Основным материалом для этого процесса стали так называемые дихалькогениды переходных металлов (TMD), которые рассматриваются как перспективная альтернатива кремнию для создания более компактных и эффективных транзисторов. Уникальность этих двумерных материалов заключается в сохранении своих полупроводниковых свойств даже при толщине всего в один атом, тогда как кремний теряет свою эффективность при уменьшении размеров.
Ранее команда Кима использовала для выращивания TMD кремниевые пластины с аморфным покрытием, а также существующие слои TMD. Для формирования качественного монокристалла вместо беспорядочного поликристаллического состояния ученые наносили на кремневую пластину тонкую пленку диоксида кремния с микроскопическими отверстиями или углублениями. Затем через эти отверстия пропускался газ, состоящий из атомов, которые оседали внутри отверстий, образуя «семена» для последующего упорядоченного роста кристаллов.
Тем не менее, данная методика требовала температуры порядка 900°C, что делало её непригодной для работы с существующими электронными схемами, поскольку такие высокие температуры разрушают базовые слои чипа.
«Для успешной интеграции новых слоев необходимо поддерживать температуру ниже 400°C, иначе вся базовая структура чипа будет повреждена», — объясняет профессор Ким. «Наша цель состояла в том, чтобы адаптировать технологию таким образом, чтобы она работала при температурах, безопасных для основной схемы. Если нам удастся это реализовать, эффект будет значительным».
В новом исследовании Ким и его коллеги решили задачу снижения температурного порога путем применения знаний из металлургии. При заливке расплавленного металла в форму металлурги заметили, что кристаллизация начинается с краев формы, где зародышеобразование происходит легче и требует меньшей энергии. Применив этот принцип, учёные смогли добиться зарождения и роста качественных монокристаллов при более низкой температуре.
«Мы переняли идею о зарождении на краях из металлургической практики, что помогло нам разработать методику, подходящую для будущих решений в сфере искусственного интеллекта», – добавляет Ким.
Таким образом, предложенный метод позволяет создавать многослойные чипы с высокой производительностью и плотностью размещения компонентов, сохраняя при этом стабильность базовой схемы. Этот прорыв открывает новые горизонты для разработки компактных и мощных устройств, работающих на основе искусственного интеллекта.
Группа исследователей стремилась вырастить монокристаллы TMD на кремниевой пластине, уже содержащей транзисторную схему. Как и прежде, они покрыли схему маской из диоксида кремния. На этот раз они разместили «семена» ВНЧС вдоль краёв каждой ячейки маски и обнаружили, что эти краевые семена сформировались в монокристаллический материал при температуре до 380°C, в отличие от семян, расположенных ближе к центру ячеек, которым требовались более высокие температуры для образования монокристалла.
Продолжая эксперименты, исследователи применили новую методику для создания многослойного чипа, состоящего из чередующихся слоёв двух различных типов TMD: дисульфида молибдена, перспективного материала для создания n-канальных транзисторов, и диселенида вольфрама, который подходит для создания p-канальных транзисторов. Оба типа транзисторов необходимы для выполнения логических операций в электронных устройствах. Учёные успешно вырастили оба материала в монокристаллической форме, располагая их непосредственно друг над другом, без необходимости использования промежуточных кремниевых подложек. По словам Кима, такой подход позволит вдвое увеличить плотность полупроводниковых элементов на чипе, особенно тех, которые основаны на комплементарной структуре металл-оксид-полупроводник (CMOS), являющейся основой современных логических схем.
«Продукт, созданный с использованием нашей технологии, представляет собой не просто трёхмерный логический чип, но и трёхмерную память, а также их комбинации», – поясняет Ким. «Благодаря нашему монолитному трёхмерному методу, основанному на росте, можно выращивать десятки или сотни слоёв логики и памяти, расположенных прямо друг над другом, обеспечивая отличное взаимодействие между ними».
Первый автор исследования, Кисок Ким, добавляет: «Традиционные трёхмерные чипы изготавливаются путём просверливания отверстий в кремниевой пластине, что накладывает ограничения на количество слоёв, точность вертикальной юстировки и общий выход продукции. Наш метод, основанный на росте, решает сразу все эти проблемы».
Для дальнейшей коммерциализации разработанной технологии Ким основал компанию FS2 (Future Semiconductor 2D Materials). «На данный момент мы продемонстрировали нашу концепцию на примере небольших тестовых устройств, – рассказывает он. – Следующий шаг – масштабирование, чтобы показать полноценную работу чипа для искусственного интеллекта».
Исследование поддержано Институтом передовых технологий Samsung и Управлением научных исследований ВВС США.Источник: https://news.mit.edu/2024/mit-engineers-grow-high-rise-3d-chips-1218
