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Wie FinFETs Vater dazu beitrug, Moores Gesetz zu retten

Chenming Hu, IEEE-Ehrenmedaille 2020, bringt Transistoren in die dritte Dimension


Es war 1995. Die Fortschritte in der Chiptechnologie sind nicht hinter dem Gesetz von Moore zurückgeblieben - der Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem Chip ungefähr alle zwei Jahre verdoppelt - hauptsächlich aufgrund einer Verringerung der Größe der Transistoren.

Der Horizont schien jedoch nicht mehr so ​​grenzenlos zu sein. Zum ersten Mal haben sich in der Halbleiterindustrie Gerüchte verbreitet, die den Niedergang von Moores Gesetz vorhersagen. Das Goldgeld wird ein Ende haben, sagen Prädiktoren, wenn die Größe der kritischen Eigenschaften des Transistors, der dann eine Größe in der Größenordnung von 350 nm hatte, auf 100 nm abfällt. Sogar die US-Regierung war besorgt - so sehr, dass die DARPA-Agentur Alarm schlug und ein Programm zur Suche nach neuen Chiptechnologien startete, die den Fortschritt fortsetzen könnten.

Chenmin Hu, damals Professor für Elektro- und Informatik an der University of California in Berkeley, nahm diese Herausforderung gerne an. Er fand sofort eine Lösung für das Problem - sogar zwei - und skizzierte sie im Flugzeug, während er im Flugzeug saß. Eine dieser Ideen bestand darin, den aktuellen Kanal so anzuheben, dass er über die Oberfläche des Chips steigt. Es wurde zur FinFET-Technologie, für die Hu in diesem Jahr die IEEE-Ehrenmedaille erhielt, "für eine herausragende Karriere in der Entwicklung und praktischen Anwendung von Halbleitermodellen, insbesondere dreidimensionalen Strukturen, die zur Erhaltung des Mooreschen Gesetzes über viele Jahrzehnte beigetragen haben".

Natürlich begann die FinFET-Geschichte nicht damit, dass Hu begann, etwas mit einem Bleistift auf Papier auf einem Klapptisch in einem Flugzeug zu zeichnen.

Es begann in Taiwan, wo Hu, ein neugieriges Kind, zu Hause Experimente mit Meerwasser durchführte und Alarme abbaute (und dann sammelte). Nach seinem Schulabschluss interessierte er sich immer noch für Naturwissenschaften, hauptsächlich Chemie. Aber anstatt Chemiker zu werden, trat er in die Fakultät für Elektrotechnik der National Taiwan University ein , ohne genau zu wissen, was Elektrotechnik tut. Es war nur eine Herausforderung für ihn - für dieses Trainingsprogramm waren die besten Noten erforderlich.

In seinem letzten Studienjahr entdeckte Hu eine Branche, die von seinen Aktionen schockiert sein würde - alles dank Frank Fang, der zu Vorträgen aus den USA eingeladen wurde.

"Es war 1968", erinnert sich Hu, "und Fang sagte uns, dass zukünftige Fernseher auf Halbleitern basieren werden und dass aus Fernsehgeräten so etwas wie Fotos werden, die an Wänden aufgehängt werden können."

In Zeiten sperriger Fernseher mit Bildröhren zog dies Hus Aufmerksamkeit auf sich. Er entschied, dass das Studium von Halbleitern zu ihm passen würde, und bewarb sich in den USA um eine Ausbildung. 1969 landete er in Berkeley, wo er sich einem Forschungsteam anschloss, das an Metalloxid-Halbleitertransistoren ( MOS-Strukturen ) arbeitete.

Bald änderte seine Karriere die Richtung, weil es ihm, wie er sich erinnert, zu einfach erschien. Er wechselte zum Studium der optischen Schaltkreise, verteidigte seine Promotion in integrierter Optik und wechselte zum MIT, um seine Arbeit in diesem Bereich fortzusetzen.

1973 wurde ein Ölembargo eingeführt. "Es schien mir, dass ich etwas Wichtiges tun sollte", sagte er, "nützlich und nicht nur eine Arbeit schreiben."

Daher wechselte er zur Entwicklung kostengünstiger Solarmodule für bodengestützte Anwendungen - damals wurden Solarzellen nur auf Satelliten eingesetzt. 1976 kehrte er nach Berkeley zurück, bereits Professor, und plante Forschungen auf dem Gebiet der Energie, einschließlich Hybridautos - und sie führten ihn zurück zu Halbleitern. "Elektroautos", erklärt Hu, "erfordern Hochspannungs- und Hochstrom-Halbleiterbauelemente."

In den frühen 1980er Jahren war die Rückkehr zur Halbleiterforschung ein Coup. Die Regierung stellte die Finanzierung der Energieforschung ein, aber mehrere Unternehmen in der Bucht von San Francisco unterstützten die Halbleiterforschung und die Umstellung auf Unternehmensfinanzierung "war nicht sehr schwierig umzusetzen", sagt Hu. Auf Einladung von Unternehmen, die kurze Kurse über Halbleiterbauelemente unterrichteten, verbrachte er mehr Zeit im Silicon Valley in der Nähe von Berkeley. 1982 verbrachte er seine Ferien im Herzen des Silicon Valley beim National Semiconductor in Santa Clara.

„Mein Engagement in dieser Branche hat mein Leben lange beeinflusst“, sagt Hu. - In der Wissenschaft lernen wir wichtige Dinge voneinander, und ich war an etwas interessiert, als ich die Arbeit eines anderen las und dachte, ich könnte es besser machen. Und als ich dann die Branche kennenlernte, wurde mir klar, dass dort interessante Aufgaben lauerten. “ Und diese Offenbarung hat Hu dazu gebracht, die dreidimensionalen Strukturen von Transistoren aktiver zu erforschen.


FinFET-Merkmale: Jeder Transistor verfügt über eine Source, einen Drain, einen leitenden Kanal, der sie verbindet, und ein Gate, das den Strom im Kanal steuert. Beim FinFET wird der Kanal wie eine Haifischflosse über die Oberfläche des Chips angehoben. fin - fin] - ermöglicht es dem Verschluss, ihn auf drei Seiten zu wickeln, wodurch er den Strom besser steuern kann.

Ein Feldeffekttransistor besteht aus vier Hauptkomponenten - einer Source, einem Drain, einem leitenden Kanal, der sie verbindet, und einem Gate, das den Strom im Kanal steuert. Und je weniger diese Komponenten hergestellt wurden, desto häufiger bemerkten die Menschen nach langer Zeit Änderungen im Verhalten von Transistoren. Diese Veränderungen zeigten sich nicht in kurzfristigen Studien, und Unternehmen hatten Schwierigkeiten vorherzusagen, ob sie sich manifestieren würden oder nicht.

1983 las Hu ein von IBM-Forschern veröffentlichtes Papier, in dem eine ähnliche Änderung beschrieben wurde. Dank seiner Erfahrung bei National Semiconductor erkannte er, mit welchen Schwierigkeiten die Branche aufgrund dieses Mangels an langfristiger Zuverlässigkeit konfrontiert sein könnte. Wenn er nicht "an vorderster Front" arbeiten würde, sagt er, "würde ich die Bedeutung dieses Problems nicht verstehen und würde nicht fast 10 Jahre damit verbringen wollen, es zu lösen."

Hu nahm die Herausforderung an und entwickelte mit einer Gruppe von Studenten die Theorie der Heißträgerinjektion , um die Zuverlässigkeit von MOS vorherzusagen. Dieses numerische Modell beschreibt den Abbau einer Vorrichtung während der Elektronenmigration. Dann wandte er sich einem anderen Problem der Zuverlässigkeit zu: dem Abbau von Oxiden im Laufe der Zeit, der wichtig wurde, als die Hersteller die Oxidschichten von Halbleitern allmählich dünner machten.

Hu sagt, dass diese Studien es erforderten, die Prozesse innerhalb der Transistoren sorgfältig zu verstehen. Anschließend entstanden aus dieser Arbeit die Modellsätze Berkeley Reliability Tool (BERT) und BSIM-Transistoren. BSIM ist zum Industriestandard geworden und wird bis heute verwendet. Hu ist weiterhin dafür verantwortlich, seine Modelle regelmäßig zu aktualisieren.

Hu arbeitete bis Mitte der neunziger Jahre weiter mit Studenten zusammen und untersuchte die grundlegenden Eigenschaften von Transistoren - wie sie funktionieren, wie sie versagen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern. In der Zwischenzeit wurden kommerzielle Chips gemäß dem Gesetz von Moore entwickelt. Mitte der 90er Jahre, als die durchschnittliche charakteristische Größe 350 nm erreichte, begannen die Aussichten für eine weitere Komprimierung der Größe der Transistoren bei den Herstellern Besorgnis zu erregen.

"Das Ende von Moores Gesetz ist bereits sichtbar", erinnert sich Lewis Terman, der zu dieser Zeit bei IBM Research arbeitete.

Das Hauptproblem war die Ernährung. Je kleiner die charakteristischen Abmessungen sind, desto mehr Probleme verursachen, dass der Strom fließt, während der Transistor geschlossen ist. Und diese Lecks wurden so bedeutend, dass sie den Stromverbrauch des Chips erhöhten oder sogar den größten Teil davon ausmachten.

"Die Arbeiten begannen mit Vorhersagen, dass das Moore'sche Gesetz für CMOS enden würde, wenn die 100-nm-Schwelle überschritten würde, weil man irgendwann mehr Energie pro Quadratzentimeter als in der Düse einer Rakete verbrauchen müsste", erinnert sich Hu. "Die Industrie hat den Kampf für verloren erklärt."


Chenming Hu begann 1976 an der University of California in Berkeley zu unterrichten.


Zu den ersten Themen seiner Forschung gehörten Hybridautos, insbesondere ein Benzin-Elektroauto, das er 1980 auf einer Sitzung von Vorstandsmitgliedern der University of California vorstellte.


In seinem Labor im Jahr 1997 war Hu mit Geldern von DARPA aktiv an der Entwicklung von FinFET beteiligt.

Er wollte Moores Gesetz DARPA nicht aufgebenDas Büro für fortgeschrittene Forschungsprojekte des US-Verteidigungsministeriums suchte nach Studien, die versprachen, diese Barriere zu überwinden, um sie zu finanzieren. Mitte 1995 startete sie ein Projekt namens "25 nm Transition".

"Ich mochte die Idee mit Abmessungen von 25 nm - sie ging weit genug über das hinaus, was in der Branche für möglich gehalten wurde", sagte Hu.

Hu hielt das grundlegende Problem für äußerst klar - Sie müssen den Kanal so dünn machen, dass die Elektronen nicht am Gate vorbeigleiten können. Zu dieser Zeit gehörte zu den Lösungen für dieses Problem der Vorschlag, die Oxidschicht im Gate dünner zu machen. Dank dessen wurde die Steuerung des Kanals besser und der Leckstrom nahm ab. Hus Arbeiten zeigten jedoch, dass ein solcher Ansatz zu nahe an der gefährlichen Grenze lag: Wenn die Oxidschicht zu dünn gemacht würde, könnten die Elektronen durch sie auf ein Siliziumsubstrat springen, was zu einer weiteren Leckagequelle führen würde.

Zwei weitere Optionen kamen mir sofort in den Sinn. Eine besteht darin, die Ladung um das Gate herum zu erschweren, indem eine Isolationsschicht aus Silizium unter dem Transistor hinzugefügt wird. Eine solche Schaltung wurde als "vollständig abgereichertes Silizium auf einem Substrat" ​​oder FDSOI bezeichnet. Eine andere Möglichkeit bestand darin, die Fähigkeit des Verschlusses zu verbessern, die Ladung zu steuern, indem ein dünner Kanal wie eine Haifischflosse über das Substrat angehoben wurde - so dass der Verschluss von drei Seiten um den Kanal gewickelt und nicht nur von oben gehalten werden konnte. Diese Struktur wurde FinFET genannt und hatte einen weiteren Vorteil: Die Verwendung der dritten Dimension reduzierte die Belastung der zweidimensionalen Ebene und ebnete den Weg für die Erzeugung dreidimensionaler Transistoren.

Es blieb jedoch nicht viel Zeit, um den Antrag an DARPA zu senden. Hu erfuhr von dem Finanzierungsvorschlag von einem seiner Kollegen, Jeffrey Bokor, der beim Windsurfen mit dem Programmdirektor von DARPA davon erfuhr. Daher traf sich Hu schnell mit Bokor und einem anderen ihrer Kollegen, Tsu Jae King, und stimmte zu, dass das Team einen Vorschlag für die Woche ausarbeiten würde. Nach ein paar Tagen skizzierte er in einem Flugzeug, das nach Japan flog, zwei Versionen des Schemas und schickte die Zeichnungen und die technische Beschreibung per Fax nach Berkeley zurück, nachdem er in seinem Hotel angekommen war. Das Team schickte seinen Vorschlag, und später gewährte DARPA dem Team ein vierjähriges Forschungsstipendium.

Bis dahin waren FinFET-ähnliche Ideen bereits in wissenschaftlichen Arbeiten aufgetaucht. Hu und sein Team haben jedoch tatsächlich Geräte entwickelt, die für die industrielle Produktion geeignet sind, und gezeigt, wie ihre Schaltungen Transistoren mit einer charakteristischen Größe von 25 nm oder weniger herstellen. „Andere Wissenschaftler, die diese Werke lesen, betrachteten einen solchen Ansatz nicht als Lösung des Problems, da solche Transistoren schwierig herzustellen wären und es unklar ist, ob sie funktionieren oder nicht. Und selbst die Autoren der Werke selbst haben diese Idee nicht weiterentwickelt, sagt Hu. - Ich denke, der Unterschied bestand darin, dass wir uns mit diesem Problem befasst und beschlossen haben, damit zu arbeiten, nicht weil wir einen anderen Job schreiben oder ein anderes Stipendium erhalten wollten, sondern weil wir der Branche helfen wollten. Wir dachten, wir müssten das Mooresche Gesetz erweitern. "

„Wir als Technologen“, fährt Hu fort, „waren dafür verantwortlich, dass er nicht aufhörte. Denn sobald er aufhört, werden wir sofort die Hoffnung verlieren, unsere Fähigkeiten zur Lösung der komplexesten Probleme der Menschheit zu erweitern. "


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Er und das Team „waren gut für die Entwicklung von FinFET geeignet, weil er seinen Schülern das Denken über Geräte beigebracht hat“, sagt Elise Rosenbaum, seine ehemalige Studentin und jetzt Professorin an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. „Er betont die Bedeutung des Gesamtbildes, ein quantitatives Verständnis der Situation. Bei der Untersuchung eines Halbleiterbauelements konzentrieren sich einige Leute darauf, ein Modell und eine anschließende numerische Lösung aller Punkte eines dreidimensionalen Gitters zu erstellen. Er lehrte uns, einen Schritt zurückzutreten, uns die Verteilung des elektrischen Feldes im Gerät vorzustellen, die Position potenzieller Barrieren und wie sich der elektrische Strom ändert, wenn wir die Größe eines bestimmten Teils ändern. "

Hu glaubte an die Wichtigkeit, das Verhalten von Halbleiterbauelementen so stark zu visualisieren, dass Rosenbaum einmal versuchte, den Schülern diesen Prozess beizubringen, "er baute für uns ein Modell des Verhaltens eines MOS-Transistors aus Plastilin, das seinen Kindern entnommen wurde."

"Es sah alles nach einer Erfindung aus, die plötzlich von Grund auf neu erschien", sagte Fari Assaderagi, ehemaliger Student und jetzt Vizepräsident für Innovation und Technologie bei NXP Semiconductors . - Sein Team arbeitete jedoch an den grundlegenden Konzepten eines idealen Geräts, beginnend mit den Grundlagen der Physik. Und die Idee, eine solche Struktur zu schaffen, kommt von dort. “

Bis zum Jahr 2000, nach vier Jahren finanzieller Unterstützung, entwickelten Hu und sein Team Arbeitsgeräte und veröffentlichten ihre Forschungsergebnisse, die das sofortige Interesse vieler Branchenvertreter weckten. Es dauerte jedoch weitere zehn Jahre, bis die FinFET-Chips vom Band liefen, und der Intel-Chip war der erste im Jahr 2011. Warum hat es so lange gedauert?

"Die Situation ist noch nicht gebrochen", erklärt Hu und verweist auf die Fähigkeit der Branche, immer kompaktere Designs herzustellen. "Die Leute dachten, es würde kaputt gehen, aber man kann etwas nicht reparieren, das noch nicht kaputt ist."

Es stellte sich heraus, dass die DARPA-Manager die Zukunft vorhersagten - sie nannten das Finanzierungsprojekt „den Übergang zu 25 nm“, und als FinFET erschien, hatte die Halbleiterindustrie bereits auf technologische Prozesse unter 25 nm umgestellt.

Inzwischen hat sich auch FDSOI weiterentwickelt und wird heute sogar in der Industrie eingesetzt. Insbesondere wird es in optischen und Funkgeräten verwendet, und FinFET dominiert die Prozessorindustrie. Hu sagt, er habe nie gesagt, dass ein Ansatz besser ist als der andere.

In den Tagen der Gründung von FinFET machte Hu drei Jahre Urlaub in Berkeley, um als CTO beim Halbleiterhersteller TSMC in Taiwan zu arbeiten. Er betrachtete es als eine Gelegenheit, eine Schuld gegenüber dem Land zurückzuzahlen, in dem er seine Erstausbildung erhalten hatte. 2004 kehrte er nach Berkeley zurück, unterrichtete weiter, studierte energieeffiziente Halbleiterbauelemente und unterstützte BSIM. Im Jahr 2009 schloss Hu den regulären Unterricht ab, arbeitet aber immer noch mit Doktoranden als Honorarprofessor zusammen.

Nachdem Hu nach Berkeley zurückgekehrt war, eroberte die FinFET-Technologie die Branche. Und Moores Gesetz endete nicht bei 25 Seemeilen, obwohl sein Tod immer noch regelmäßig vorhergesagt wird.

"Der Fortschritt wird sich allmählich verlangsamen, aber wir werden für weitere hundert Jahre keinen Ersatz für MOS haben", sagt Hu. Er verliert jedoch nicht die Hoffnung. „Es gibt Möglichkeiten, die Schaltungsdichte, den Stromverbrauch und die Geschwindigkeit zu verbessern, und wir können davon ausgehen, dass die Halbleiterindustrie den Menschen weiterhin zunehmend nützliche, bequeme und tragbare Geräte zur Verfügung stellt. Wir müssen kreativer und selbstbewusster mit dem Thema umgehen. “

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