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Cómo el padre de FinFET ayudó a salvar la ley de Moore

Chenming Hu, Medalla de Honor IEEE 2020, lleva los transistores a la tercera dimensión


Era 1995 Los avances en la tecnología de chips no se han quedado atrás de la ley de Moore, la observación de que el número de transistores en un chip se duplica aproximadamente cada dos años, principalmente debido a una disminución en el tamaño de los transistores.

Sin embargo, el horizonte ya no parecía tan ilimitado. Por primera vez, los rumores se han extendido por toda la industria de semiconductores que predicen la desaparición de la ley de Moore. El dinero del oro llegará a su fin, según los predictores, cuando el tamaño de las características críticas del transistor, que luego tenía un tamaño del orden de 350 nm, caiga a 100 nm. Incluso el gobierno de EE. UU. Estaba preocupado, tanto que la agencia DARPA hizo sonar la alarma y lanzó un programa para buscar nuevas tecnologías de chips que pudieran continuar progresando.

Chenmin Hu, entonces profesor de ciencias eléctricas e informáticas en la Universidad de California en Berkeley, estaba feliz de aceptar este desafío. Inmediatamente se le ocurrió una solución al problema, de hecho, incluso dos, y, sentado en el avión, los dibujó en borrador. Una de estas ideas era elevar el canal actual para que se eleve por encima de la superficie del chip. Se convirtió en tecnología FinFET, por la cual este año Hu recibió la Medalla de Honor IEEE "por una destacada carrera en el desarrollo y la aplicación práctica de modelos de semiconductores, en particular estructuras tridimensionales, que contribuyeron a la preservación de la ley de Moore durante muchas décadas".

Naturalmente, la historia de FinFET no comenzó con el hecho de que Hu comenzó a dibujar algo con un lápiz sobre papel en una mesa plegable en un avión.

Comenzó en Taiwán, donde Hu, un niño curioso, realizó experimentos en el hogar con agua de mar y desmanteló (y luego recogió) alarmas. Después de graduarse de la escuela, todavía estaba interesado en la ciencia, principalmente la química. Pero en lugar de estudiar para ser químico, ingresó en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de Taiwán , sin siquiera saber exactamente qué hace la ingeniería eléctrica. Fue solo un desafío para él: para este programa de capacitación, se requerían las calificaciones más altas.

En su último año de estudio, Hu descubrió una industria que se sorprendería por sus acciones, todo gracias a Frank Fang, quien fue invitado a dar una conferencia desde los Estados Unidos.

"Era 1968", recuerda Hu, "y Fang nos dijo que los futuros televisores se basarán en semiconductores, y que los televisores se convertirán en algo así como fotos que se pueden colgar en las paredes".

En la era de los televisores voluminosos con tubos de imagen, esto atrajo la atención de Hu. Decidió que estudiar semiconductores sería adecuado para él y solicitó capacitación en los Estados Unidos. En 1969, terminó en Berkeley, donde se unió a un equipo de investigación que trabaja en transistores de semiconductores de óxido de metal ( estructuras MOS ).

Pronto su carrera cambió de dirección, porque, según recuerda, le pareció demasiado fácil. Pasó al estudio de los circuitos ópticos, defendió su doctorado en óptica integrada y se transfirió al MIT para continuar trabajando en esta área.

Y luego, en 1973, se introdujo un embargo de petróleo. "Me pareció que debería hacer algo importante", dijo, "útil, y no solo escribir algo de trabajo".

Por lo tanto, cambió al desarrollo de paneles solares de bajo costo para aplicaciones terrestres: en aquellos días, las células solares solo se usaban en satélites. En 1976, regresó a Berkeley, que ya era profesor, y planeaba realizar investigaciones en el campo de la energía, incluidos los automóviles híbridos, y lo llevaron de regreso a los semiconductores. "Los autos eléctricos", explica Hu, "requieren dispositivos semiconductores de alto voltaje y alta corriente".

A principios de la década de 1980, un regreso a la investigación de semiconductores fue un golpe de estado. El gobierno dejó de financiar la investigación energética, pero varias compañías ubicadas en la Bahía de San Francisco apoyaron la investigación de semiconductores y el cambio a las finanzas corporativas "no fue muy difícil de implementar", dice Hu. Comenzó a pasar más tiempo en Silicon Valley, cerca de Berkeley, por invitación de compañías que impartían cursos cortos sobre dispositivos semiconductores. En 1982, pasó sus vacaciones en el corazón de Silicon Valley con el National Semiconductor en Santa Clara.

"Mi participación en esta industria ha afectado durante mucho tiempo mi vida", dice Hu. - En ciencias, aprendemos cosas importantes unos de otros, y estaba interesado en algo cuando leía el trabajo de otra persona y pensaba que podía hacerlo mejor. Y luego, cuando me familiaricé con la industria, me di cuenta de que era allí donde se ocultaban tareas interesantes ”. Y esta revelación ha llevado a Hu a ser más activo en la exploración de las estructuras tridimensionales de los transistores.


Características de FinFET: cada transistor tiene una fuente, un drenaje, un canal conductor que los conecta y una puerta que controla la corriente en el canal. En FinFET, el canal se eleva por encima de la superficie del chip, como una aleta de tiburón. aleta - aleta] - que permite que el obturador la envuelva por tres lados, como resultado de lo cual puede controlar mejor la corriente.

Un transistor de efecto de campo tiene cuatro componentes principales: una fuente, un drenaje, un canal conductor que los conecta y una puerta que controla la corriente en el canal. Y cuanto menos se fabricaron estos componentes, más a menudo las personas notaron cambios en el comportamiento de los transistores después de mucho tiempo. Estos cambios no se manifestaron en ensayos a corto plazo, y las empresas tuvieron dificultades para predecir si se manifestarían o no.

En 1983, Hu leyó un artículo publicado por investigadores de IBM que describía un cambio similar. Gracias a su experiencia en National Semiconductor, se dio cuenta de las dificultades que la industria podría enfrentar debido a esta falta de confiabilidad a largo plazo. Si no trabajara "a la vanguardia", dice, "no entendería la importancia de este problema y no querría pasar casi 10 años resolviéndolo".

Hu decidió aceptar el desafío, y con un grupo de estudiantes desarrolló la teoría de la inyección de portador caliente para predecir la confiabilidad de MOS. Este modelo numérico describe la degradación de un dispositivo durante la migración de electrones. Luego recurrió a otro problema de confiabilidad: cómo los óxidos se degradan con el tiempo, lo que se hizo importante a medida que los fabricantes gradualmente hicieron cada vez más delgadas las capas de semiconductores de óxido.

Hu dice que estos estudios requieren que comprenda cuidadosamente los procesos que tienen lugar dentro de los transistores. Posteriormente, este trabajo dio lugar a la Berkeley Reliability Tool (BERT) y a los conjuntos de modelos de transistores BSIM. BSIM se ha convertido en el estándar de la industria y todavía se usa en la actualidad. Hu todavía está a cargo de actualizar regularmente sus modelos.

Hu continuó trabajando con los estudiantes, estudiando las características básicas de los transistores: cómo funcionan, cómo fallan, cómo cambian con el tiempo, hasta mediados de la década de 1990. Mientras tanto, los chips comerciales se desarrollaron de acuerdo con la ley de Moore. Sin embargo, a mediados de los 90, cuando el tamaño característico promedio alcanzó los 350 nm, las perspectivas de una mayor compresión del tamaño de los transistores comenzaron a preocupar a los fabricantes.

"El final de la ley de Moore ya es visible", recuerda Lewis Terman, que trabajaba en IBM Research en ese momento.

El principal problema era la nutrición. Cuanto más pequeñas son las dimensiones características, más problemas causan que la corriente fluya mientras el transistor está cerrado. Y estas filtraciones se volvieron tan significativas que aumentaron, o incluso representaron la mayor parte, del consumo de energía del chip.

"El trabajo comenzó a aparecer con predicciones de que la ley de Moore para CMOS terminaría cuando se cruzara el umbral de 100 nm, porque en algún momento tendrías que disipar más energía por centímetro cuadrado que en la boquilla de un cohete", recuerda Hu. "La industria ha declarado la batalla perdida".


Chenming Hu comenzó a enseñar en la Universidad de California en Berkeley en 1976.


Entre los primeros temas de su investigación se encontraban los automóviles híbridos, en particular, un automóvil eléctrico de gasolina, que presentó en una reunión de miembros de la junta de la Universidad de California en 1980.


En su laboratorio en 1997, Hu participó activamente en el desarrollo de FinFET con dinero de DARPA.

No queriendo abandonar la ley de Moore, DARPALa Oficina de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa de Estados Unidos estaba buscando estudios que prometieran superar esta barrera para financiarlos. A mediados de 1995, lanzó un proyecto llamado "transición de 25 nm".

"Me gustó la idea con dimensiones de 25 nm: fue mucho más allá de lo que se consideraba posible en la industria", dijo Hu.

Hu consideró que el problema fundamental era extremadamente claro: debe hacer que el canal sea tan delgado que los electrones no puedan pasar por la puerta. En ese momento, entre las soluciones a este problema estaba la propuesta de hacer que la capa de óxido en la puerta fuera más delgada. Gracias a esto, el control del canal mejoró y la corriente de fuga disminuyó. Sin embargo, el trabajo de Hu demostró que este enfoque estaba demasiado cerca del límite peligroso: si la capa de óxido se hizo demasiado delgada, los electrones podrían saltar a través de ella sobre un sustrato de silicio, lo que daría lugar a otra fuente de fuga.

Otras dos opciones pasaron por mi mente de inmediato. Una es complicar la carga alrededor de la puerta al agregar una capa de aislamiento en silicio debajo del transistor. Tal circuito se llamaba "silicio completamente agotado en un sustrato", o FDSOI. Otro fue aumentar la capacidad del obturador para controlar la carga levantando un canal delgado sobre el sustrato a la manera de una aleta de tiburón, de modo que el obturador pudiera enrollarse alrededor del canal desde tres lados, y no solo sostenerse desde arriba. Esta estructura se llamaba FinFET, y tenía otra ventaja: el uso de la tercera dimensión redujo la carga en el plano bidimensional y allanó el camino para la creación de transistores tridimensionales.

Sin embargo, no quedaba mucho tiempo para enviar la solicitud a DARPA. Hu se enteró de la propuesta de financiación de uno de sus colegas, Jeffrey Bokor, quien se enteró al respecto mientras practicaba windsurf con el director del programa de DARPA. Por lo tanto, Hu se reunió rápidamente con Bokor y otro colega, Tsu Jae King, y acordó que el equipo elaboraría una propuesta para la semana. Después de un par de días, mientras estaba en un avión que volaba a Japón, bosquejó dos versiones del plan y, al llegar a su hotel, envió los dibujos y la descripción técnica por fax a Berkeley. El equipo envió su propuesta, y luego DARPA asignó una beca de investigación de cuatro años al equipo.

Hasta entonces, ideas similares a FinFET ya habían aparecido en artículos científicos. Sin embargo, Hu y su equipo crearon dispositivos adecuados para la producción industrial, y mostraron cómo sus circuitos fabricarán transistores con un tamaño característico de 25 nm o menos. “Otros científicos que leyeron estos trabajos no consideraron este enfoque como una solución al problema, ya que dichos transistores serían difíciles de fabricar, y no está claro si funcionarán o no. E incluso los autores de las obras mismas no desarrollaron esta idea más allá, dice Hu. - Creo que la diferencia fue que analizamos este problema y decidimos que queríamos trabajar con él no porque quisiéramos escribir otro trabajo u obtener otra subvención, sino porque queríamos ayudar a la industria. Pensamos que necesitábamos extender la ley de Moore ".

“Nosotros, como tecnólogos”, continúa Hu, “fuimos responsables de garantizar que no se detuviera. Porque tan pronto como se detenga, perderemos de inmediato la esperanza de ampliar nuestras capacidades para resolver los problemas más complejos de la humanidad ".


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Él y el equipo "estaban bien preparados para desarrollar FinFET porque les enseñó a sus alumnos a pensar sobre los dispositivos", dice Elise Rosenbaum, su ex alumna, y ahora profesora en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. “Él enfatiza la importancia de la imagen general, una comprensión cuantitativa de la situación. Al estudiar un dispositivo semiconductor, algunas personas se concentran en crear un modelo y la posterior solución numérica de todos los puntos de una cuadrícula tridimensional. Nos enseñó a dar un paso atrás, tratar de imaginar la distribución del campo eléctrico en el dispositivo, la ubicación de posibles barreras y cómo cambia la corriente eléctrica cuando cambiamos el tamaño de una parte determinada ".

Hu creía tanto en la importancia de visualizar el comportamiento de los dispositivos semiconductores que una vez, según Rosenbaum, tratando de enseñar a los estudiantes este proceso, "nos construyó un modelo del comportamiento de un transistor MOS de plastilina tomado de sus hijos".

"Todo parecía un invento que apareció de la nada", dijo Fari Assaderagi, ex estudiante y ahora vicepresidente de innovación y tecnología de NXP Semiconductors . - Sin embargo, su equipo trabajó en los conceptos fundamentales de un dispositivo ideal, comenzando con los fundamentos de la física. Y la idea de crear una estructura de este tipo surge de allí ”.

Para el año 2000, al final de cuatro años de apoyo financiero, Hu y su equipo crearon dispositivos de trabajo y publicaron su investigación, lo que atrajo el interés instantáneo de muchos representantes de la industria. Sin embargo, tomó otros diez años para que los chips FinFET comenzaran a salir de las líneas de ensamblaje, y el chip Intel fue el primero en 2011. ¿Por qué tardó tanto?

"La situación aún no se ha roto", explica Hu, refiriéndose a la capacidad de la industria para producir diseños cada vez más compactos. "La gente pensó que se rompería, pero no se puede reparar algo que aún no se ha roto".

Resultó que los gerentes de DARPA predijeron el futuro: llamaron al proyecto de financiamiento "la transición a 25 nm", y cuando apareció FinFET, la industria de semiconductores ya había cambiado a procesos tecnológicos por debajo de 25 nm.

Mientras tanto, FDSOI también ha evolucionado e incluso se usa hoy en la industria. En particular, se usa en dispositivos ópticos y de radio, y FinFET domina la industria de procesadores. Hu dice que nunca dijo que un enfoque es mejor que el otro.

En los días del inicio de FinFET, Hu tomó unas vacaciones de tres años desde Berkeley para trabajar como CTO en el fabricante de semiconductores TSMC en Taiwán. Consideró que era una oportunidad para pagar una deuda con el país donde recibió su educación inicial. Regresó a Berkeley en 2004, continuó enseñando, estudiando dispositivos semiconductores de bajo consumo y apoyando BSIM. En 2009, Hu completó la enseñanza regular, pero aún trabaja con estudiantes graduados como profesor honorario.

Después de que Hu regresó a Berkeley, la tecnología FinFET capturó la industria. Y la ley de Moore no terminó a 25 nm, aunque su muerte aún se predice regularmente.

"El progreso se ralentizará gradualmente, pero no tendremos un reemplazo para MOS por otros cien años", dice Hu. Sin embargo, no pierde la esperanza. “Hay formas de mejorar la densidad del circuito, el consumo de energía y la velocidad, y podemos esperar que la industria de los semiconductores continúe brindando a las personas dispositivos cada vez más útiles, convenientes y portátiles. Necesitamos abordar el tema de manera más creativa y con más confianza ".

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