На протяжении десятилетий рост вычислительной мощности обеспечивался уменьшением размеров транзисторов, но сегодня инженеры сталкиваются с фундаментальными ограничениями кремния и квантовыми эффектами. Как отмечает руководитель исследования Цин Цао, дальнейший прогресс требует перехода от двумерной архитектуры к 3D-интеграции. Однако традиционные методы вертикальной компоновки, например в высокоскоростной памяти и 3D V-Cache, обеспечивают недостаточно плотную связь между слоями. Исследователи предложили новую технологию, которая позволяет размещать кремниевые схемы непосредственно друг на друге. Благодаря этому межслойная связность может быть в 10–100 раз выше, чем у существующих коммерческих решений.
В устройстве используется стандартный монокристаллический кремний — основной материал в микроэлектронике. При этом выход годных устройств достигает 98–100%. Ранее подобные многослойные конструкции сталкивались с перегревом: создание высококачественных кремниевых транзисторов обычно требует температур 1000°C, которые разрушают уже готовые нижние слои схем.
Команда решила эту проблему с помощью сверхтонких кремниевых наномембран толщиной 10 нанометров. Для сравнения, толщина типичной пластины составляет 500–700 микрометров. Наномембраны переносят на уже готовую схему при температуре не выше 200°C, что позволяет сохранить структуру и избежать повреждений. Благодаря гибкости мембран снижается риск появления дефектов и пустот между слоями.
Исследователи также изменили архитектуру транзистора. Вместо традиционного легирования (добавления примесей для управления электрическими свойствами) на поздних этапах производства, требующего температур выше 600°C, они использовали транзисторы без перехода. В этой схеме кремний равномерно легируется ещё до начала многослойной компоновки. Чрезвычайно тонкие плёнки обеспечивают эффективное управление затвором, а повышенное содержание легирующих элементов снижает паразитное сопротивление.
Используя эту стратегию, команда изготовила три многослойных устройства по 625 транзисторов в каждом. Плотность выходного тока соответствовала показателям обычных кремниевых транзисторов, изготовленных при высоких температурах, и в 3–4 раза превосходила монолитные устройства из альтернативных материалов. Исследователи соединили слои вертикальными металлическими межсоединениями и продемонстрировали трёхмерные логические схемы и ячейки статической оперативной памяти.
Подход ученых увеличил вычислительную плотность, ускорил передачу данных между слоями и снизил энергопотребление, что особенно важно для искусственного интеллекта и ресурсоёмких вычислений.
Исследование опубликовано в журнале Nature — издании, которое крайне редко публикует работы по кремниевой микроэлектронике. Сейчас команда готовится адаптировать технологию для промышленного производства совместно с партнерами, среди которых IBM, Intel и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.
