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Como o pai do FinFET ajudou a salvar a lei de Moore

Chenming Hu, Medalha de Honra IEEE 2020, leva os transistores à terceira dimensão


Era 1995. Os avanços na tecnologia de chips não ficaram para trás da lei de Moore - a observação de que o número de transistores em um chip duplica aproximadamente a cada dois anos - principalmente devido à redução no tamanho do transistor.

No entanto, o horizonte não parecia mais tão ilimitado. Pela primeira vez, rumores se espalharam por todo o setor de semicondutores que prevêem o fim da lei de Moore. O dinheiro do ouro chegará ao fim, os preditores transmitem, quando o tamanho das características críticas do transistor, que então tinha um tamanho da ordem de 350 nm, cai para 100 nm. Até o governo dos EUA estava preocupado - tanto que a agência DARPA tocou o alarme e lançou um programa para procurar novas tecnologias de chips que pudessem continuar o progresso.

Chenmin Hu, então professor de ciência elétrica e da computação na Universidade da Califórnia em Berkeley, ficou feliz em aceitar esse desafio. Ele imediatamente encontrou uma solução para o problema - na verdade, até dois - e, sentado no avião, esboçou-os em rascunho. Uma dessas idéias era elevar o canal atual para que ele se elevasse acima da superfície do chip. Ele se transformou em tecnologia FinFET, pela qual este ano Hu recebeu a Medalha de Honra do IEEE "por uma carreira destacada no desenvolvimento e aplicação prática de modelos de semicondutores, em particular estruturas tridimensionais, que contribuíram para a preservação da lei de Moore por muitas décadas".

Naturalmente, a história do FinFET não começou com o fato de Hu começar a desenhar algo com um lápis no papel sobre uma mesa dobrável em um avião.

Tudo começou em Taiwan, onde Hu, uma criança curiosa, conduziu experimentos domésticos com água do mar e desmontou (e depois coletou) alarmes. Depois de se formar na escola, ele ainda estava interessado em ciência, principalmente química. Mas, em vez de estudar para ser químico, ele ingressou na Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Nacional de Taiwan , sem nem mesmo saber exatamente o que a engenharia elétrica faz. Foi apenas um desafio para ele - para este programa de treinamento, as notas mais altas eram necessárias.

Em seu último ano de estudo, Hu descobriu uma indústria que ficaria chocada com suas ações - tudo graças a Frank Fang, que foi convidado a dar uma palestra nos Estados Unidos.

"Era 1968", lembra Hu, "e Fang nos disse que as televisões futuras serão baseadas em semicondutores e que os aparelhos de televisão se transformarão em algo como fotos que podem ser penduradas nas paredes".

Na era das grandes TVs com tubos de imagem, isso atraiu a atenção de Hu. Ele decidiu que estudar semicondutores serviria para ele e solicitou treinamento nos Estados Unidos. Em 1969, ele terminou em Berkeley, onde ingressou em uma equipe de pesquisa trabalhando em transistores semicondutores de óxido metálico ( estruturas MOS ).

Logo sua carreira mudou de direção, porque, como ele se lembra, lhe parecia muito fácil. Ele mudou para o estudo de circuitos ópticos, defendeu seu doutorado em óptica integrada e se transferiu para o MIT para continuar trabalhando nesta área.

E então, em 1973, um embargo ao petróleo foi introduzido. "Pareceu-me que eu deveria fazer algo importante", disse ele, "útil, e não apenas escrever algum trabalho".

Portanto, ele mudou para o desenvolvimento de painéis solares baratos para aplicações terrestres - naqueles dias, as células solares eram usadas apenas em satélites. Em 1976, ele retornou a Berkeley, que já era professor, planejando realizar pesquisas no campo da energia, incluindo carros híbridos - e o levaram de volta aos semicondutores. "Os carros elétricos", explica Hu, "requerem dispositivos semicondutores de alta tensão e alta corrente".

No início dos anos 80, um retorno à pesquisa de semicondutores foi um golpe. O governo parou de financiar a pesquisa de energia, mas várias empresas localizadas na Baía de São Francisco apoiaram a pesquisa de semicondutores e a mudança para o financiamento corporativo "não foi muito difícil de implementar", diz Hu. Ele começou a passar mais tempo no Vale do Silício, perto de Berkeley, a convite de empresas que ministravam cursos de curta duração sobre dispositivos semicondutores. Em 1982, ele passou suas férias no coração do Vale do Silício com o National Semiconductor em Santa Clara.

"Meu envolvimento neste setor há muito tempo afeta minha vida", diz Hu. - Na ciência, aprendemos coisas importantes um com o outro, e eu estava interessado em alguma coisa quando li o trabalho de outra pessoa e pensei que poderia fazer melhor. E então, quando me familiarizei com o setor, percebi que era lá que tarefas interessantes se escondiam. ” E essa revelação levou Hu a se tornar mais ativo na exploração das estruturas tridimensionais dos transistores.


Recursos do FinFET: cada transistor possui uma fonte, um dreno, um canal condutor que os conecta e um portão que controla a corrente no canal. No FinFET, o canal é elevado acima da superfície do chip - como uma barbatana de tubarão. fin - fin] - que permite ao obturador envolvê-lo em três lados, como resultado do qual ele pode controlar melhor a corrente.

Um transistor de efeito de campo possui quatro componentes principais - uma fonte, um dreno, um canal condutor que os conecta e um portão que controla a corrente no canal. E quanto menos esses componentes foram feitos, mais frequentemente as pessoas perceberam mudanças no comportamento dos transistores depois de muito tempo. Essas mudanças não se manifestaram em ensaios de curto prazo, e as empresas tiveram dificuldade em prever se elas se manifestariam ou não.

Em 1983, Hu leu um artigo publicado por pesquisadores da IBM que descreveu uma mudança semelhante. Graças à sua experiência na National Semiconductor, ele percebeu as dificuldades que o setor pode enfrentar devido a essa falta de confiabilidade a longo prazo. Se ele não trabalhasse "na vanguarda", diz ele, "eu não entenderia a importância desse problema e não gostaria de gastar quase 10 anos em resolvê-lo".

Hu decidiu aceitar o desafio e, com um grupo de estudantes, desenvolveu a teoria da injeção de portador quente para prever a confiabilidade do MOS. Este modelo numérico descreve a degradação de um dispositivo durante a migração de elétrons. Depois, ele se voltou para outro problema de confiabilidade: como os óxidos se degradam com o tempo, o que se tornou importante à medida que os fabricantes gradualmente tornavam as camadas de óxido de semicondutores cada vez mais finas.

Hu diz que esses estudos exigiram que ele entendesse cuidadosamente os processos que ocorrem nos transistores. Posteriormente, este trabalho deu origem aos conjuntos de modelos de transistores Berkeley Reliability Tool (BERT) e BSIM. O BSIM se tornou o padrão do setor e ainda está em uso hoje. Hu ainda está encarregado de atualizar regularmente seus modelos.

Hu continuou trabalhando com os alunos, estudando as características básicas dos transistores - como eles funcionam, como fracassam, como mudam ao longo do tempo - até meados da década de 90. Enquanto isso, os chips comerciais se desenvolveram de acordo com a lei de Moore. No entanto, em meados dos anos 90, quando o tamanho médio da característica atingiu 350 nm, as perspectivas de comprimir ainda mais o tamanho dos transistores começaram a causar preocupação entre os fabricantes.

"O fim da lei de Moore já é visível", lembra Lewis Terman, que trabalhava na IBM Research na época.

O principal problema foi nutrição. Quanto menores as dimensões da característica, mais problemas causam o fluxo da corrente enquanto o transistor está fechado. E esses vazamentos se tornaram tão significativos que aumentaram - ou foram responsáveis ​​pela maior parte - do consumo de energia do chip.

"Começaram a surgir trabalhos com previsões de que a lei de Moore para o CMOS terminará quando o limite de 100 nm for ultrapassado, porque em algum momento você terá que dissipar mais energia por centímetro quadrado do que no bico de um foguete", lembra Hu. "A indústria declarou a batalha perdida."


Chenming Hu começou a ensinar na Universidade da Califórnia em Berkeley em 1976.


Entre os primeiros tópicos de sua pesquisa estavam carros híbridos, em particular, um carro elétrico a gasolina, que ele apresentou em uma reunião de membros da diretoria da Universidade da Califórnia em 1980.


Em seu laboratório em 1997, Hu estava envolvido ativamente no desenvolvimento do FinFET com dinheiro da DARPA,

não querendo abandonar a lei de Moore, a DARPA.O Departamento de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Defesa dos EUA procurava estudos que prometessem superar essa barreira para financiá-los. Em meados de 1995, lançou um projeto chamado "transição de 25 nm".

"Gostei da idéia com dimensões de 25 nm - foi além do que foi considerado possível na indústria", disse Hu.

Hu considerou o problema fundamental extremamente claro - você precisa tornar o canal tão fino que os elétrons não pudessem passar pelo portão. Naquela época, uma das soluções para esse problema estava a proposta de tornar a camada de óxido no portão mais fina. Graças a isso, o controle do canal ficou melhor e a corrente de fuga diminuiu. No entanto, o trabalho de Hu mostrou que essa abordagem estava muito próxima do limite perigoso: se a camada de óxido fosse muito fina, os elétrons seriam capazes de pular através dela sobre um substrato de silício, o que daria origem a outra fonte de vazamento.

Duas outras opções imediatamente me passaram pela cabeça. Uma é complicar a carga ao redor do portão, adicionando uma camada de isolamento em silício sob o transistor. Esse circuito foi chamado de "silício totalmente empobrecido em um substrato", ou FDSOI. Outra era aumentar a capacidade do obturador de controlar a carga, levantando um canal fino acima do substrato da maneira de uma barbatana de tubarão - para que o obturador pudesse ser enrolado em torno do canal de três lados, e não apenas sustentado por cima. Essa estrutura foi chamada FinFET e tinha outra vantagem - o uso da terceira dimensão reduziu a carga no plano bidimensional e abriu o caminho para a criação de transistores tridimensionais.

No entanto, não havia muito tempo para enviar o aplicativo à DARPA. Hu soube da proposta de financiamento por um de seus colegas, Jeffrey Bokor, que a descobriu enquanto praticava windsurf com o diretor do programa da DARPA. Portanto, Hu se encontrou rapidamente com Bokor e outro de seus colegas, Tsu Jae King, e concordou que a equipe traçaria uma proposta para a semana. Depois de alguns dias, enquanto viajava de avião para o Japão, ele esboçou duas versões do esquema e, ao chegar ao hotel, enviou os desenhos e a descrição técnica por fax, de volta a Berkeley. A equipe enviou sua proposta e, posteriormente, a DARPA alocou uma bolsa de pesquisa de quatro anos para a equipe.

Até então, idéias semelhantes ao FinFET já haviam aparecido em trabalhos científicos. No entanto, Hu e sua equipe criaram dispositivos adequados para produção industrial e mostraram como seus circuitos produzirão transistores com um tamanho característico de 25 nm ou menos. “Outros cientistas que leram esses trabalhos não consideraram essa abordagem uma solução para o problema, já que esses transistores seriam difíceis de fabricar, e não está claro se eles funcionarão ou não. E mesmo os autores dos trabalhos não desenvolveram mais essa idéia, diz Hu. - Acho que a diferença foi que analisamos esse problema e decidimos que queremos trabalhar com ele não porque queríamos escrever outro emprego ou obter outra doação, mas porque queríamos ajudar o setor. Pensamos que precisávamos estender a lei de Moore. "

“Nós, como tecnólogos”, continua Hu, “fomos responsáveis ​​por garantir que ele não parasse. Porque assim que ele parar, perderemos imediatamente a esperança de expandir nossas capacidades para resolver os problemas mais complexos da humanidade. ”


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Ele e a equipe "estavam bem adaptados ao desenvolvimento do FinFET porque ensinaram seus alunos a pensar em dispositivos", diz Elise Rosenbaum, sua ex-aluna e atualmente professora da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. “Ele enfatiza a importância do quadro geral, uma compreensão quantitativa da situação. Estudando um dispositivo semicondutor, algumas pessoas se concentram na criação de um modelo e subsequente solução numérica de todos os pontos de uma grade tridimensional. Ele nos ensinou a dar um passo atrás, tentar imaginar a distribuição do campo elétrico no dispositivo, a localização de possíveis barreiras e como a corrente elétrica muda quando alteramos o tamanho de uma determinada peça ".

Hu acreditava na importância de visualizar tanto o comportamento dos dispositivos semicondutores que, uma vez, segundo Rosenbaum, tentando ensinar aos alunos esse processo ", ele construiu para nós um modelo do comportamento de um transistor MOS a partir da plasticina retirada de seus filhos".

"Tudo parecia uma invenção que apareceu de repente do zero", disse Fari Assaderagi, ex-aluno e agora vice-presidente de inovação e tecnologia da NXP Semiconductors . - No entanto, sua equipe trabalhou nos conceitos fundamentais de um dispositivo ideal, começando pelos próprios fundamentos da física. E a ideia de criar essa estrutura vem daí. ”

No ano de 2000, ao final de quatro anos de apoio financeiro, Hu e sua equipe criaram dispositivos de trabalho e publicaram suas pesquisas, o que atraiu o interesse imediato de muitos representantes do setor. No entanto, foram necessários mais dez anos para os chips FinFET começarem a sair das linhas de montagem, e o chip Intel foi o primeiro em 2011. Por que demorou tanto tempo?

"A situação ainda não está resolvida", explica Hu, referindo-se à capacidade do setor de produzir projetos cada vez mais compactos. "As pessoas pensaram que iria quebrar, mas você não pode reparar algo que ainda não quebrou."

Os gerentes da DARPA previram o futuro - chamaram o projeto de financiamento de “a transição para 25 nm” e, quando o FinFET apareceu, a indústria de semicondutores já havia mudado para processos tecnológicos abaixo de 25 nm.

Enquanto isso, o FDSOI também evoluiu e é usado até hoje na indústria. Em particular, é usado em dispositivos ópticos e de rádio, e o FinFET domina a indústria de processadores. Hu diz que nunca disse que uma abordagem é melhor que a outra.

Nos dias de criação do FinFET, Hu tirou férias de três anos de Berkeley para trabalhar como CTO na fabricante de semicondutores TSMC em Taiwan. Ele considerou uma oportunidade para pagar uma dívida com o país onde recebeu sua educação inicial. Ele retornou a Berkeley em 2004, continuou a ensinar, estudar dispositivos semicondutores com eficiência energética e apoiar o BSIM. Em 2009, Hu concluiu o ensino regular, mas ainda trabalha com alunos de pós-graduação como professor honorário.

Depois que Hu retornou a Berkeley, a tecnologia FinFET conquistou a indústria. E a lei de Moore não terminou em 25 nm, embora sua morte ainda seja prevista regularmente.

"O progresso diminuirá gradualmente, mas não teremos um substituto para o MOS por mais cem anos", diz Hu. No entanto, ele não perde a esperança. “Existem maneiras de melhorar a densidade do circuito, o consumo de energia e a velocidade, e podemos esperar que a indústria de semicondutores continue a fornecer às pessoas dispositivos cada vez mais úteis, convenientes e portáteis. Precisamos abordar a questão de forma mais criativa e com mais confiança. ”

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