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Comment le père de FinFET a aidé à sauver la loi de Moore

Chenming Hu, médaille d'honneur de l'IEEE 2020, amène les transistors à la troisième dimension


C'était en 1995. Les progrès de la technologie des puces n'ont pas été à la traîne de la loi de Moore - l'observation que le nombre de transistors dans une puce double environ tous les deux ans - principalement en raison de la réduction de la taille des transistors.

Cependant, l'horizon ne semblait plus aussi illimité. Pour la première fois, des rumeurs se sont répandues dans l'industrie des semi-conducteurs qui prédisent la disparition de la loi de Moore. La monnaie d'or prendra fin, diffusent les prédicteurs, lorsque la taille des caractéristiques critiques du transistor, qui avait alors une taille de l'ordre de 350 nm, tombe à 100 nm. Même le gouvernement américain était inquiet - à tel point que l'agence DARPA a tiré la sonnette d'alarme et lancé un programme de recherche de nouvelles technologies de puces qui pourraient continuer de progresser.

Chenmin Hu, alors professeur de science électrique et informatique à l'Université de Californie à Berkeley, était heureux d'accepter ce défi. Il a immédiatement trouvé une solution au problème - en fait, même deux - et, assis dans l'avion, il les a esquissées en ébauche. L'une de ces idées était d'élever le canal actuel de sorte qu'il s'élève au-dessus de la surface de la puce. Il s'est transformé en technologie FinFET, pour laquelle Hu a reçu cette année la médaille d'honneur de l'IEEE "pour une carrière exceptionnelle dans le développement et l'application pratique de modèles de semi-conducteurs, en particulier de structures tridimensionnelles, qui ont contribué à la préservation de la loi de Moore pendant de nombreuses décennies".

Naturellement, l'histoire FinFET n'a pas commencé avec le fait que Hu a commencé à dessiner quelque chose avec un crayon sur papier sur une table pliante dans un avion.

Cela a commencé à Taïwan, où Hu, un enfant curieux, a mené des expériences à domicile avec de l'eau de mer et a démonté (puis collecté) des alarmes. Après ses études, il s'intéressait toujours aux sciences, principalement à la chimie. Mais au lieu d'étudier pour devenir chimiste, il est entré à la Faculté de génie électrique de l'Université nationale de Taiwan , sans même savoir exactement ce que fait le génie électrique. C'était juste un défi pour lui - pour ce programme de formation, les notes les plus élevées étaient requises.

Au cours de sa dernière année d'études, Hu a découvert une industrie qui serait choquée par ses actions - tout cela grâce à Frank Fang, qui a été invité à donner des conférences aux États-Unis.

"C'était en 1968", se souvient Hu, "et Fang nous a dit que les futurs téléviseurs seront basés sur des semi-conducteurs, et que les téléviseurs se transformeront en quelque chose comme des photos qui peuvent être accrochées aux murs."

À l'ère des téléviseurs encombrants avec des tubes à images, cela a attiré l'attention de Hu. Il a décidé que les études sur les semi-conducteurs lui conviendraient et a postulé pour une formation aux États-Unis. En 1969, il se retrouve à Berkeley, où il rejoint une équipe de recherche travaillant sur les transistors à semi-conducteurs à oxyde métallique ( structures MOS ).

Bientôt, sa carrière a changé de direction, car, comme il se souvient, cela lui a semblé trop facile. Il est passé à l'étude des circuits optiques, a soutenu son doctorat en optique intégrée et a été transféré au MIT pour poursuivre ses travaux dans ce domaine.

Et puis, en 1973, un embargo pétrolier a été introduit. «Il me semblait que je devrais faire quelque chose d'important», a-t-il dit, «utile, et pas seulement écrire du travail.»

Par conséquent, il est passé au développement de panneaux solaires peu coûteux pour des applications au sol - à cette époque, les cellules solaires n'étaient utilisées que sur des satellites. En 1976, il est retourné à Berkeley, déjà professeur, prévoyant de mener des recherches dans le domaine de l'énergie, y compris les voitures hybrides - et ils l'ont ramené aux semi-conducteurs. «Les voitures électriques», explique Hu, «nécessitent des dispositifs semi-conducteurs à haute tension et à courant élevé.»

Au début des années 80, le retour à la recherche sur les semi-conducteurs a été un coup d'État. Le gouvernement a cessé de financer la recherche énergétique, mais plusieurs entreprises situées dans la baie de San Francisco ont soutenu la recherche sur les semi-conducteurs et le passage au financement des entreprises "n’a pas été très difficile à mettre en œuvre", explique Hu. Il a commencé à passer plus de temps dans la Silicon Valley, près de Berkeley, à l'invitation d'entreprises qui ont donné des cours de courte durée sur les dispositifs à semi-conducteurs. En 1982, il passe ses vacances au cœur de la Silicon Valley avec le National Semiconductor à Santa Clara.

"Mon implication dans cette industrie a longtemps affecté ma vie", explique Hu. - En science, nous apprenons des choses importantes les uns des autres, et j'étais intéressé par quelque chose quand j'ai lu le travail de quelqu'un d'autre et pensé que je pouvais faire mieux. Et puis, quand j'ai fait connaissance avec l'industrie, j'ai réalisé que c'était là que des tâches intéressantes se cachaient. » Et cette révélation a conduit Hu à devenir plus actif dans l'exploration des structures tridimensionnelles des transistors.


Caractéristiques FinFET: chaque transistor a une source, un drain, un canal conducteur les reliant et une grille qui contrôle le courant dans le canal. Dans FinFET, le canal est élevé au-dessus de la surface de la puce - comme une nageoire de requin. fin - fin] - qui permet à l'obturateur de l'envelopper sur trois côtés, ce qui lui permet de mieux contrôler le courant.

Un transistor à effet de champ a quatre composants principaux - une source, un drain, un canal conducteur les reliant et une grille qui contrôle le courant dans le canal. Et moins ces composants ont été fabriqués, plus les gens ont remarqué des changements dans le comportement des transistors après une longue période. Ces changements ne se sont pas manifestés lors d'essais à court terme et les entreprises ont eu du mal à prévoir s'ils se manifesteraient ou non.

En 1983, Hu a lu un article publié par des chercheurs d'IBM qui décrivait un changement similaire. Grâce à son expérience chez National Semiconductor, il s'est rendu compte des difficultés que l'industrie pourrait rencontrer en raison de ce manque de fiabilité à long terme. S'il ne travaillait pas «à l'avant-garde», dit-il, «je ne comprendrais pas l'importance de ce problème, et je ne voudrais pas passer près de 10 ans à le résoudre.»

Hu a décidé d'accepter le défi, et avec un groupe d'étudiants, il a développé la théorie de l' injection de porteurs chauds pour prédire la fiabilité du MOS. Ce modèle numérique décrit la dégradation d'un appareil lors de la migration d'électrons. Il s'est ensuite tourné vers un autre problème de fiabilité: la dégradation des oxydes au fil du temps, qui est devenue importante à mesure que les fabricants rendaient de plus en plus fines les couches d'oxyde de semi-conducteurs.

Hu dit que ces études l'ont obligé à comprendre soigneusement les processus se déroulant à l'intérieur des transistors. Par la suite, ces travaux ont donné naissance à l'ensemble de modèles de transistor Berkeley Reliability Tool (BERT) et BSIM. BSIM est devenu la norme de l'industrie et est toujours utilisé aujourd'hui. Hu est toujours en charge de mettre à jour régulièrement ses modèles.

Hu a continué à travailler avec les étudiants, étudiant les caractéristiques de base des transistors - comment ils fonctionnent, comment ils échouent, comment ils changent au fil du temps - jusqu'au milieu des années 1990. Pendant ce temps, les puces commerciales se sont développées conformément à la loi de Moore. Cependant, au milieu des années 90, lorsque la taille caractéristique moyenne a atteint 350 nm, les perspectives de compression supplémentaire de la taille des transistors ont commencé à inquiéter les fabricants.

«La fin de la loi de Moore est déjà visible», se souvient Lewis Terman, qui travaillait alors chez IBM Research.

Le principal problème était la nutrition. Plus les dimensions caractéristiques sont petites, plus les problèmes provoquent la fuite du courant lorsque le transistor est fermé. Et ces fuites sont devenues si importantes qu’elles ont augmenté - ou même représenté la majeure partie - de la consommation d’énergie de la puce.

"Les travaux ont commencé à apparaître avec des prédictions selon lesquelles la loi de Moore pour CMOS se terminerait lorsque le seuil de 100 nm serait franchi, car à un moment donné, il devrait dissiper plus d'énergie par centimètre carré que dans la buse d'une fusée", se souvient Hu. "L'industrie a déclaré la bataille perdue."


Chenming Hu a commencé à enseigner à l'Université de Californie à Berkeley en 1976.


Parmi les premiers sujets de ses recherches figuraient les voitures hybrides, en particulier une voiture essence-électrique, qu'il a présentée lors d'une réunion des membres du conseil d'administration de l'Université de Californie en 1980.


Dans son laboratoire en 1997, Hu a été activement impliqué dans le développement de FinFET avec de l'argent de la DARPA.

Ne voulant pas abandonner la loi de Moore, la DARPALe Bureau des projets de recherche avancée du Département américain de la défense recherchait des études qui promettaient de surmonter cet obstacle afin de les financer. Au milieu de 1995, il a lancé un projet appelé «transition de 25 nm».

"J'ai aimé l'idée avec des dimensions de 25 nm - elle allait bien au-delà de ce qui était considéré comme possible dans l'industrie", a déclaré Hu.

Hu a considéré que le problème fondamental était extrêmement clair - vous devez rendre le canal si mince que les électrons ne pourraient pas passer devant la porte. A cette époque, parmi les solutions à ce problème figurait la proposition de rendre la couche d'oxyde dans la grille plus mince. Grâce à cela, le contrôle du canal s'est amélioré et le courant de fuite a diminué. Cependant, le travail de Hu a montré qu'une telle approche était trop proche de la limite dangereuse: si la couche d'oxyde était rendue trop mince, les électrons pourraient sauter à travers elle sur un substrat de silicium, ce qui donnerait lieu à une autre source de fuite.

Deux autres options m'ont immédiatement traversé l'esprit. L'une consiste à compliquer la charge autour de la grille en ajoutant une couche d'isolation en silicium sous le transistor. Un tel circuit était appelé «silicium entièrement appauvri sur un substrat», ou FDSOI. Une autre était d'augmenter la capacité de l'obturateur à contrôler la charge en soulevant un mince canal au-dessus du substrat à la manière d'une aileron de requin - de sorte que l'obturateur puisse être enroulé autour du canal sur trois côtés, et pas seulement maintenu par le haut. Cette structure s'appelait FinFET, et elle avait un autre avantage - l'utilisation de la troisième dimension a réduit la charge sur le plan bidimensionnel et a ouvert la voie à la création de transistors tridimensionnels.

Cependant, il ne restait pas beaucoup de temps pour envoyer la demande à la DARPA. Hu a été informé de la proposition de financement par l'un de ses collègues, Jeffrey Bokor, qui l'a découvert en faisant de la planche à voile avec le directeur du programme de la DARPA. Par conséquent, Hu a rapidement rencontré Bokor et un autre de leurs collègues, Tsu Jae King, et a convenu que l'équipe ferait une proposition pour la semaine. Après quelques jours, alors qu'il prenait l'avion pour le Japon, il a esquissé deux versions du plan et, à son arrivée à son hôtel, a renvoyé les dessins et la description technique par télécopie à Berkeley. L'équipe a envoyé sa proposition, et plus tard la DARPA a alloué une subvention de recherche de quatre ans à l'équipe.

Jusque-là, des idées similaires à FinFET étaient déjà apparues dans des articles scientifiques. Cependant, Hu et son équipe ont en fait créé des appareils adaptés à la production industrielle et ont montré comment leurs circuits produiraient des transistors d'une taille caractéristique de 25 nm ou moins. «D'autres scientifiques qui ont lu ces travaux n'ont pas considéré une telle approche comme une solution au problème, car de tels transistors seraient difficiles à fabriquer, et on ne sait pas s'ils fonctionneront ou non. Et même les auteurs des travaux eux-mêmes n'ont pas développé cette idée plus loin, dit Hu. - Je pense que la différence était que nous avons examiné ce problème et décidé que nous voulions travailler avec lui non pas parce que nous voulions écrire un autre emploi ou obtenir une autre subvention, mais parce que nous voulions aider l'industrie. Nous pensions que nous devions étendre la loi de Moore. "

«Nous, en tant que technologues», poursuit Hu, «étions responsables de veiller à ce qu'il ne s'arrête pas. Parce que dès qu'il s'arrêtera, nous perdrons immédiatement tout espoir d'étendre nos capacités pour résoudre les problèmes les plus complexes de l'humanité. "


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Lui et l'équipe «étaient bien adaptés pour développer FinFET parce qu'il a enseigné à ses étudiants comment penser aux appareils», explique Elise Rosenbaum, son ancienne étudiante et maintenant professeur à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. «Il souligne l'importance de l'image globale, une compréhension quantitative de la situation. En étudiant un dispositif semi-conducteur, certaines personnes se concentrent sur la création d'un modèle et d'une solution numérique ultérieure de tous les points d'une grille tridimensionnelle. Il nous a appris à prendre du recul, à essayer d'imaginer la distribution du champ électrique dans l'appareil, l'emplacement des barrières potentielles et comment le courant électrique change lorsque nous changeons la taille d'une certaine partie. "

Hu croyait tellement en l'importance de visualiser le comportement des dispositifs à semi-conducteurs qu'une fois, selon Rosenbaum, essayant d'enseigner ce processus aux étudiants, "il a construit pour nous un modèle du comportement d'un transistor MOS à partir de pâte à modeler prise à ses enfants."

«Tout cela ressemblait à une invention qui est soudainement apparue à partir de zéro», a déclaré Fari Assaderagi, un ancien étudiant et maintenant vice-président de l'innovation et de la technologie chez NXP Semiconductors . - Cependant, son équipe a travaillé sur les concepts fondamentaux d'un appareil idéal, à commencer par les fondements mêmes de la physique. Et l'idée de créer une telle structure vient de là. »

En l'an 2000, au bout de quatre ans de soutien financier, Hu et son équipe ont créé des appareils de travail et publié leurs recherches, ce qui a suscité l'intérêt immédiat de nombreux représentants de l'industrie. Cependant, il a fallu encore dix ans pour que les puces FinFET commencent à sortir des chaînes de montage, et la puce Intel a été la première en 2011. Pourquoi cela a-t-il pris si longtemps?

"La situation n'a pas encore éclaté", explique Hu, se référant à la capacité de l'industrie à produire des conceptions de plus en plus compactes. "Les gens pensaient que ça allait casser, mais vous ne pouvez pas réparer quelque chose qui ne s'est pas encore cassé."

Il s'est avéré que les gestionnaires de la DARPA avaient prédit l'avenir - ils ont appelé le projet de financement «la transition à 25 nm», et lorsque FinFET est apparu, l'industrie des semi-conducteurs était déjà passée à des processus technologiques inférieurs à 25 nm.

Parallèlement, le FDSOI a également évolué et est même utilisé aujourd'hui dans l'industrie. En particulier, il est utilisé dans les appareils optiques et radio, et FinFET domine l'industrie du processeur. Hu dit qu'il n'a jamais dit qu'une approche est meilleure que l'autre.

À l'époque de la création de FinFET, Hu a pris trois ans de vacances à Berkeley pour travailler en tant que CTO chez le fabricant de semi-conducteurs TSMC à Taiwan. Il a considéré que c'était l'occasion de rembourser une dette au pays où il avait reçu sa formation initiale. Il est retourné à Berkeley en 2004, a continué d'enseigner, d'étudier les dispositifs à semi-conducteurs éconergétiques et de soutenir BSIM. En 2009, Hu a terminé l'enseignement régulier, mais travaille toujours avec des étudiants diplômés en tant que professeur honoraire.

Après le retour de Hu à Berkeley, la technologie FinFET a conquis l'industrie. Et la loi de Moore ne s'est pas terminée à 25 nm, bien que sa mort soit toujours régulièrement prévue.

«Les progrès ralentiront progressivement, mais nous n’aurons pas de remplaçant pour MOS avant encore cent ans», explique Hu. Cependant, il ne perd pas espoir. «Il existe des moyens d'améliorer la densité des circuits, la consommation d'énergie et la vitesse, et nous pouvons nous attendre à ce que l'industrie des semi-conducteurs continue de fournir aux utilisateurs des appareils de plus en plus utiles, pratiques et portables. Nous devons aborder la question de manière plus créative et avec plus de confiance. »

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