अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय की एक शोध टीम ने हाल ही में घोषणा की है कि उसने एक सिलिकॉन चिप पर तीन सक्रिय सिलिकॉन सर्किट परतों को सफलतापूर्वक लंबवत रखा है और लगभग 98% से 100% की ट्रांजिस्टर उपज हासिल की है। इसे भौतिक सीमा के करीब पहुंचने वाले मूर के नियम के संदर्भ में चिप कंप्यूटिंग शक्ति घनत्व को बढ़ाने के लिए एक नया इंजीनियरिंग पथ प्रदान करने वाला माना जाता है।
यह उपलब्धि ग्रेंजर स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग के प्रोफेसर किंग काओ की टीम द्वारा पूरी की गई। मुख्य विचार द्वि-आयामी विमान पर डिवाइस के आकार को कम करना जारी रखना नहीं है, बल्कि सर्किट को "ऊपर की ओर बनाना" और एकल क्रिस्टल सिलिकॉन फिल्मों की कम तापमान वाली परत-दर-परत स्टैकिंग के माध्यम से एकल-चिप त्रि-आयामी एकीकृत संरचना का निर्माण करना है।
पिछले साठ वर्षों से, मूर के नियम द्वारा वर्णित "ट्रांजिस्टर की संख्या का नियमित दोगुना होना" एक फ्लैट सिलिकॉन वेफर पर डिवाइस फीचर आकारों के निरंतर सिकुड़ने पर निर्भर है, लेकिन अब यह स्केलिंग पथ क्वांटम प्रभावों और सिलिकॉन सामग्री के गुणों से कठिन बाधाओं का सामना कर रहा है। काओ क्विंग ने बताया कि संपर्क गेट रिक्ति जैसे प्रमुख प्रक्रिया मापदंडों के परिप्रेक्ष्य से, समकालीन प्रक्रियाओं में ट्रांजिस्टर को "छोटा बनाना मुश्किल है।" समस्या अब प्रक्रिया की इच्छा नहीं है, बल्कि "सिलिकॉन के अंतर्निहित भौतिक गुणों और क्वांटम यांत्रिकी के बुनियादी नियमों के अधीन है।"
इस संदर्भ में, कंप्यूटिंग घनत्व में सुधार जारी रखने के लिए त्रि-आयामी एकीकरण को महत्वपूर्ण दिशाओं में से एक माना जाता है। तर्क और मेमोरी कोशिकाओं को ऊर्ध्वाधर दिशा में स्टैक करके, चिप डिजाइनर न केवल एक ही पदचिह्न में अधिक ट्रांजिस्टर को समायोजित कर सकते हैं, बल्कि परतों के बीच इंटरकनेक्शन पथ को भी काफी छोटा कर सकते हैं, जिससे बैंडविड्थ बढ़ जाती है और विलंबता कम हो जाती है। वर्तमान में, उद्योग ने हाई-बैंडविड्थ मेमोरी (एचबीएम) और एएमडी के 3डी वी-कैश जैसे उत्पादों में स्टैक्ड चिप तकनीक को अपनाया है। हालाँकि, इनमें से अधिकांश समाधान वेफर्स या डाई के बीच संबंध पर निर्भर करते हैं। थ्रू-सिलिकॉन विअस (टीएसवी) के आकार और संरेखण सटीकता द्वारा सीमित, अंतर-परत इंटरकनेक्शन घनत्व के लिए अभी भी एक सीमा है।
मौजूदा स्टैकिंग तकनीक से अलग, काओ किंग की टीम "मोनोलिथिक 3डी इंटीग्रेशन" के विचार को अपनाती है, यानी एक सब्सट्रेट की सतह पर सीधे सक्रिय मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उपकरणों की एक नई परत का निर्माण करना जो सर्किट और धातु इंटरकनेक्शन की एक परत को पूरा करता है, और छेद के माध्यम से उच्च घनत्व धातु के माध्यम से ठीक ऊर्ध्वाधर इंटरकनेक्शन प्राप्त करता है। यह विचार लंबे समय से थर्मल बजट के अधीन रहा है: पारंपरिक उच्च-प्रदर्शन सिलिकॉन प्रक्रियाओं के लिए अक्सर 1,000 डिग्री सेल्सियस के करीब उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, और उद्योग आमतौर पर मानता है कि एक बार सर्किट और धातुओं की पहली परत पूरी हो जाने के बाद, लगभग 400 डिग्री सेल्सियस से अधिक गर्म करने से मौजूदा संरचना को अस्वीकार्य नुकसान होगा। इस समस्या से बचने के लिए, कुछ शोधों ने ऊपरी परत के उपकरणों को बनाने के लिए नई सामग्रियों का उपयोग करना शुरू कर दिया है, लेकिन ये उपकरण आम तौर पर अंतर्निहित सिलिकॉन के समान तेज़ और विश्वसनीय नहीं होते हैं, जिससे समग्र प्रदर्शन प्रभावित होता है।
काओ किंग की टीम ने मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का उपयोग जारी रखने का फैसला किया, लेकिन इसकी "वेफर लोडिंग विधि" बदल दी। शोधकर्ताओं ने पहले डोनर वेफर पर अल्ट्रा-थिन सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन नैनोफिल्म तैयार की, उन्हें वेफर से स्वतंत्र स्व-सहायक फिल्मों में छील दिया, और फिर इन फिल्मों को 200 डिग्री सेल्सियस से अधिक के तापमान पर संसाधित लक्ष्य वेफर की सतह पर टुकड़े टुकड़े करने के लिए "लैमिनेटिंग मशीन" के समान रोल-टू-रोल ट्रांसफर प्रक्रिया का उपयोग किया। एकल-क्रिस्टल संरचना को बनाए रखने के लिए धन्यवाद, ये फिल्में डिवाइस प्रसंस्करण के बाद पारंपरिक उच्च तापमान सिलिकॉन ट्रांजिस्टर के समान विद्युत गुणों का प्रदर्शन करती हैं, जबकि मोनोलिथिक त्रि-आयामी एकीकरण की कठोर थर्मल बजट आवश्यकताओं को पूरा करती हैं।
डिवाइस संरचना का भौतिक रूप भी एक बड़ा लाभ है। पारंपरिक स्टैकिंग तकनीक के विपरीत, जिसमें लगभग 500 से 700 माइक्रोन की मोटाई वाले पूरे वेफर्स को संभालने की आवश्यकता होती है, टीम द्वारा उपयोग की जाने वाली सिलिकॉन नैनोफिल्म केवल 10 नैनोमीटर मोटी होती है। इस पैमाने पर, सिलिकॉन फिल्म अंतर्निहित सर्किट सतह के छोटे उतार-चढ़ाव के अनुरूप फ्लेक्स और अनुरूप होने में सक्षम है, जिससे एक तंग फिट की अनुमति मिलती है जो कठोर वेफर बॉन्डिंग में सामान्य रिक्तियों और रिक्तियों के जोखिम को कम करती है। अनुसंधान टीम ने बताया कि यह फॉर्म प्रक्रिया प्रवाह को सरल बनाता है, लागत क्षमता को कम करता है, और वेफर-स्तर के बड़े पैमाने पर उत्पादन को बढ़ाने के लिए अधिक अनुकूल है।
सुरक्षित सीमा के भीतर प्रक्रिया तापमान को और अधिक नियंत्रित करने के लिए, टीम ने ट्रांजिस्टर वास्तुकला में समायोजन भी किया। पारंपरिक सीएमओएस प्रक्रिया स्रोत-नाली जंक्शन क्षेत्र बनाने के लिए कई उच्च तापमान डोपिंग पर निर्भर करती है, लेकिन यह शोध "जंक्शन रहित ट्रांजिस्टर" समाधान का उपयोग करता है, जिसमें स्टैकिंग से पहले अल्ट्रा-पतली सिलिकॉन फिल्मों की उच्च सांद्रता और समान डोपिंग शामिल होती है, और फिर पूरे चैनल को गेट के माध्यम से नियंत्रित किया जाता है। अल्ट्रा-पतली चैनल मोटाई प्रभावी गेट नियंत्रण क्षमताओं को प्राप्त करने में मदद करती है, जबकि उच्च डोपिंग स्तर संपर्क प्रतिरोध को कम करने में मदद करते हैं, जो चालन प्रदर्शन और प्रक्रिया प्राप्ति को ध्यान में रखते हैं।
इस आधार पर, अनुसंधान टीम ने एक ही चिप पर सर्किट की तीन परतें लगाईं, प्रत्येक परत में 625 ट्रांजिस्टर थे, और ऊर्ध्वाधर धातु इंटरकनेक्शन के माध्यम से श्रृंखला में तीन-परत संरचना को एक पूर्ण सर्किट में जोड़ा। परीक्षण के नतीजे बताते हैं कि तीन-परत ट्रांजिस्टर आउटपुट वर्तमान घनत्व जैसे प्रमुख संकेतकों में पारंपरिक उच्च तापमान प्रक्रिया के थोक सिलिकॉन डिवाइस के बराबर है। साथ ही, यह चिप रेंज के भीतर अच्छी स्थिरता और अत्यधिक उच्च उपज दिखाता है। वैकल्पिक सामग्रियों का उपयोग करने वाले अखंड त्रि-आयामी उपकरणों की तुलना में डिवाइस का प्रदर्शन कम से कम तीन से चार गुना अधिक है। इन स्टैक्ड उपकरणों के आधार पर, टीम ने त्रि-आयामी लॉजिक सर्किट और स्टेटिक रैंडम एक्सेस मेमोरी (एसआरएएम) कोशिकाओं का प्रोटोटाइप सत्यापन हासिल किया है।
SRAM का उदाहरण सहज रूप से त्रि-आयामी एकीकरण के वास्तुशिल्प लाभों को दर्शाता है। काओ किंग ने कहा कि सीपीयू और जीपीयू में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली स्थिर रैंडम एक्सेस मेमोरी को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए, पारंपरिक एसआरएएम को एक बिट जानकारी संग्रहीत करने के लिए एक ही विमान पर छह ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है। ऊर्ध्वाधर एकीकरण के माध्यम से, इन छह उपकरणों को कई परतों में वितरित किया जा सकता है, "जैसे कि पाई को फैलाने के लिए उपनगरीय आवासीय क्षेत्रों को ऊंची इमारतों से बदलना।" यह अंतर-परत संचार की दक्षता में सुधार करते हुए, समान कार्यों को बनाए रखते हुए कब्जे वाले क्षेत्र को काफी कम कर सकता है।
शोध दल ने इस बात पर जोर दिया कि इस उपलब्धि का महत्व प्रयोगशाला में एक बार के प्रदर्शन के बजाय "बड़े पैमाने पर उत्पादन" में निहित है। वर्तमान में प्रदर्शित तीन-परत संरचना में, डिवाइस की उपज 98% से 100% तक पहुंच गई है, और उपकरणों के बीच प्रदर्शन में उतार-चढ़ाव छोटा है। सैद्धांतिक रूप से, यह प्रक्रिया उच्च गति और स्थिरता बनाए रखते हुए मौजूदा तीन परतों के ऊपर अधिक सर्किट परतों को ढेर करना भी जारी रख सकती है। यह प्रक्रिया को फाउंड्रीज़ में स्थानांतरित करने और भविष्य में वास्तविक अर्धचालक उत्पादन लाइनों की ओर बढ़ने की नींव रखता है।
इस परियोजना को इलिनोइस विश्वविद्यालय में ग्रिंगर स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के तहत त्वरित प्रदर्शन के साथ उन्नत सेमीकंडक्टर चिप्स केंद्र द्वारा प्रचारित किया गया है। केंद्र के औद्योगिक भागीदारों में आईबीएम, इंटेल और टीएसएमसी जैसी बड़ी चिप कंपनियां शामिल हैं। शोधकर्ता वर्तमान में इस सिंगल-चिप त्रि-आयामी एकीकृत मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तकनीक को औद्योगिक-ग्रेड फाउंड्री सिस्टम में पेश करने की योजना बना रहे हैं। यदि इसे सफलतापूर्वक कार्यान्वित किया जा सकता है, तो यह उम्मीद की जाती है कि यह नई त्रि-आयामी सिलिकॉन चिप भविष्य में वाणिज्यिक चिप्स में "ऊपर की ओर बढ़ती" है, जो सिलिकॉन के बाद के युग में मूर के कानून के लिए एक नया विस्तार फॉर्म तलाश रही है।