cuộc chuyển đổi sang bóng bán dẫn 3 chiều

từ năm 2011 Intel và ngành bán dẫn tiên tiến nhất đã lần đầu tiên bắt đầu sản xuất bóng bán dẫn 3 chiều, gọi tên là FinFET - bóng bán dẫn trường-hiệu-ứng vây cá
động thái đã mất hơn 10 năm chuẩn bị

Phẳng
nhiều thập kỷ, ngành bán dẫn được gây dựng trên nền tảng MOSFET - bóng bán dẫn trường-hiệu-ứng ôxit kim loại - rất phổ biến trong mạch điện kỹ thuật số như biến tần, cổng NAND và phần tử SRAM
MOSFET được làm từ một cổng nằm trên một kênh kết nối một nguồn và một máng

nguồn và máng, căn bản, là một vùng silic được pha tạp với nguyên tử của những nguyên tổ khác để cho hoặc nhận điện tử [electron]
cổng nằm trên kênh, có một lớp cách điện mỏng giữa cổng và kênh - thường làm từ ôxit silic
cổng không cắt ngang qua kênh
ngoại trừ cổng này và lớp cách điện, toàn bộ đều là phẳng [planar - mặt phẳng]
cổng này có thể được chế tạo để cho phép các điện tử [electron] di chuyển dọc theo kênh từ nguồn đến máng
tắt cổng đi, và dòng chảy các điện tử electron sẽ ngừng, theo thiết kế, nếu thiết bị hoạt động đúng

Tăng quy mô kiểu cổ điển
trong ít thập kỷ mới đầu của ngành bán dẫn, những bước xử lý mới là để cho cải thiện hiệu năng, điện và diện tích, đơn thuần bằng cách thu nhỏ những số đo kích thước vật lý của bóng bán dẫn và nhét thêm nhiều bóng bán dẫn vào con chip - được gọi tên là tăng quy mô kiểu cổ điển - mạch tích hợp được cải thiện vì các tín hiệu electron được giảm khoảng cách di chuyển giữa các bóng bán dẫn
năm 1974 nghiên cứu sinh Robert Dennard của IBM đã chỉ ra rằng việc thu nhỏ bóng bán dẫn cũng giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ

luật Moore đã đẩy ngành bán dẫn vào cắt giảm những kích thước thẳng của bóng bán dẫn chỉ còn một nửa mỗi 3 năm

thập niên 1980 các chiều kích thước đã lần đầu tiên giảm còn dưới 1 micromet

Rò rỉ
những số đo kích thước vật lý của bóng bán dẫn càng thu nhỏ, nguồn và máng càng xích lại gần nhau, lớp cách điện giữa nguồn và kênh càng mỏng đi - chỉ còn 1.2 nanomet tương đương chiều rộng của 5 nguyên tử - và kênh cũng mỏng đi
do đó, khả năng cổng kiểm soát luồng chảy của dòng điện từ nguồn đến máng bị yếu đi, và, căn bản là, dòng điện "lặn dưới cổng" để bơi từ nguồn sang máng - giống như thỏ đào hầm vào ruộng rau của người nông dân - dòng điện có thể lẻn từ nguồn sang máng kể cả khi đóng cổng
dòng điện có thể di chuyển xuyên qua một phần của kênh, xa khỏi cổng, hoặc trong một số trường hợp còn xuyên qua cả chất nền silic
đây được gọi là hiệu ứng "đoản kênh" và vào giữa thập niên 1990 bước xử lý 350 nanomet thì đã trở thành một lo ngại nghiêm túc cho ngành
bên cạnh những hiện tượng bất ngờ, có những vấn đề nghiêm trọng với điện năng tiêu thụ - rò rỏ khiến những bóng bán dẫn nhỏ không tuân theo quy luật tăng quy mô Dennard

với vấn đề mới, các bóng bán dẫn ở trạng thái "tắt" sẽ tiêu thụ điện năng nhiều như ở trạng thái "bật" - bấy giờ đồ điện tử đang được di động hoá và cần tiết kiệm điện năng

các nhà nghiên cứu sớm nhận ra là đang ở thế thua vì cấu trúc MOSFET cổ điển đã đạt tới hạn - giới hạn kích thước khả thi cuối cùng là 20 nanomét - không ai tìm được cách mở rộng thêm

năm 1996 bước tiên tiến 250 nanomet, DARPA đã nhận thấy rằng ngành không có kế hoạch dài hạn sau năm 2022 nên đã kêu gọi đề xuất nghiên cứu cho các thiết bị dưới 25 nanomét - đặt tên là chuyển đổi 25 nanomet

Chuyển đổi 25 nanomet
DARPA nhận được 10 đến 12 đề xuất từ IBM, AT&T và Stanford nhưng đều là mở rộng của cấu trúc MOSFET cổ điển mà DARPA không muốn - họ muốn phương án tham vọng và khả thi hơn
người chiến thắng được lựa chọn là một nhóm từ trường đại học California Berkeley dẫn dắt bởi giáo sư Hu Chenming

giáo sư Hu gia nhập Berkeley năm 1976, mới đầu nghiên cứu những chủ đề năng lượng như xe lai, nhưng quỹ chính phủ cho chủ đề ấy đã sớm hết sau khi chính phủ Reagan nắm quyền, cho nên giáo sư Hu chuyển sang nghiên cứu bán dẫn

năm 1982 Hu tạm nghỉ để làm việc ở National Semiconductor và có cơ hội tận mắt chứng kiến sự kết thúc của bóng bán dẫn phẳng
sau khi nghe tin từ một thành viên Berkeley kể chuyện DARPA kêu gọi đề xuất, Hu đã tập hợp một đội và làm một đề án chỉ trong một tuần: tựa đề "gia công [fabrication] mới, những cấu trúc thiết bị và vật lý của FET 25 nanomet cho đồ điện tử ở quy mô terabit"
đề án nêu 2 ý tưởng, đều tập trung vào ý tưởng trao cho 'cổng' quyềm kiếm soát cao hơn lên 'kênh'
đầu tiên được gọi là silic-trên-chất-cách-điện hoàn toàn bị mài phẳng [FD-SOI viết tắt cho fully depleted silicon-on-insulator] trong đó, nếu electron vô ý tứ di chuyển thông qua chất nền silic thì ta bổ sung một lớp cách điện lên trên chất nền silic để ngăn cản

FD-SOI tương đối thành công và ngành đã ứng dụng cho những ứng dụng cụ thể như đồ điện tử tuần tự hay điện lực

ý tưởng thứ 2 do giáo sư vẽ ra trong một chuyến bay dài là FinFET

Bóng bán dẫn vây cá trường-hiệu-ứng
như đã đề cập, ý muốn là cho phép 'cổng' được kiểm soát 'kênh' tốt hơn

cách phẳng cũ thì nguồn, máng và kênh là phẳng, còn cổng đứng bên trên

FinFET biến nguồn, máng và kênh phẳng về phía mình, khiến nó nâng lên cao hơn khu vực xung quanh và cho nó có hình dạng vây cá mập 3 chiều, như tên gọi

cổng được gói xung quanh đỉnh và hai bên của kênh, thay vì chỉ đứng bên trên

lợi thế chính của FinFET là cho phép cổng được bao xung quanh kênh từ 3 phía, so với cổng của bóng bán dẫn phẳng cũ thì bao quanh kênh chỉ một phía [trên]

thêm nữa, FinFET cũng chiếm kích cỡ vật lý nhỏ hơn, nghĩa là ta có thể nhét thêm vào cùng miếng "bất động sản"

ý tưởng thì không hề mới, 2 đề xuất tương tự về khái niệm đã được đưa ra trước đây, mặc dù không ý tưởng nào từng được thực hiện hay được biến thành một phát minh thực thụ

đầu tiên là năm 1990 tiến sĩ Hisamoto nghiên cứu sinh ở Hitachi đề xuất ý tưởng gói 'cổng' xung quanh 'kênh' và làm một cuộc chuyển đổi 3 chiều - công trình của ông đã gọi nó là một "bóng bán dẫn hoàn-toàn-mài-hết kênh-hẹp" DELTA

nhưng Hisamoto cũng lấy cảm hứng từ một công trình của Texas Instruments xuất bản thập niên 1980 đã kêu gọi cho một "bóng bán dẫn rãnh"

Phát minh
ý tưởng sẽ vô dụng nếu không thực thi và không ai biết được liệu những bóng bán dẫn này có thể tăng quy mô cho ngành 25 nanomet trở xuống hay không
nên với hậu thuẫn tài chính của DARPA thì giáo sư Hu và nhóm đã dành 4 năm lên mẫu một thiết bị FinFET thực tế
quan trọng là nhóm được tự do theo đuổi mục tiêu dài hạn này nhưng cũng có thể nhận nguồn lực bất thường từ cả khu vực tư và công - bao gồm thiết bị và cơ sở hạ tầng ở phòng thí nghiệm Stanford và Lawrence Berkeley National

năm 2002 dự án DARPA hết hạn và nhóm của Hu xuất bản kết quả

người ta sớm nhận ra FinFET là một công nghệ rất cải tiến, nhưng quan trọng không kém là FinFET đã QUÁ cách mạng, nhóm đã đảm bảo cho những công cụ quang khắc và khắc axit [etch] cũ vẫn có thể dùng được để sản xuất bóng bán dẫn FinFET mới - để ngành có thể cải thiện hiệu năng và tiết kiệm điện mà không cần bỏ phí hàng tỷ đôla thiết bị và hàng thập kỷ kinh nghiệm

Kỹ thuật kéo căng
kể cả như vậy, ngành bán dẫn là một ngành bảo thủ, không ngay lập tức ứng dụng FinFET sau khi nó ra mắt mà thay vào đó đã lựa chọn những phương pháp ngắn hạn để vắt nốt sữa MOSFET

từ bước 90 đến 45 nanomet đầu thập niên 2000 thì ngành đã áp dụng kỹ thuật "kéo căng" hay "dựa-vào-căng-thẳng" - là bổ sung những lớp silic "kéo căng" vào kênh, thường lên trên của một lớp đệm silic-germani

"kéo căng" nghĩa là những lớp các nguyên tử tinh thể của silic bị kéo căng, giúp electron di chuyển nhanh hơn khi băng ngang qua kênh; cũng không dễ thực hiện, các kỹ sư cần tăng trưởng những lớp silic bị kéo căng này sử dụng phương pháp epitaxy

Cổng kim loại có-hằng-số-điện-môi-cao
năm 2009-2010 bước xử lý 28 nanomet, Intel và đồng bọn đã áp dụng một loại cổng mới vào bóng bán dẫn, gọi tên là cổng kim loại có hằng số điện môi [K] cao

còn nhớ lớp cách điện làm từ ôxit silic nằm giữa cổng và kênh, với cổng kim loại hằng-số-điện-môi-cao thì ta thay thế lớp ôxit silic ấy bằng một lớp làm từ một kim loại có hằng số điện môi lớn, ví dụ ôxit hafni vì hafni có hằng số điện môi lớn hơn silic cũ, để giữ cho những hạt mang điện tích trái dấu xa khỏi nhau và ở nguyên vị trí ta mong muốn

ý tưởng này cũng không dễ hiện thực hoá, dẫn đến cuộc tranh cãi nổi tiếng "cổng thì để làm trước hay làm sau" đã chia rẽ ngành và khiến nhiều công ty gia công bán dẫn đã bỏ cuộc bước tiên tiến

không may, lợi thế của cổng kim loại hằng-số-điện-môi-cao chỉ có hiệu quả ở bước 28 nanomét, những bước tiếp sau phải tìm mẹo mới để hiện thực hoá, và đó là lúc thực thi 3-chiều

Ba-cổng
bước quan trọng tiếp sau 28 nanomét là bước 22 nanomét và Intel đã chọn áp dụng thiết bị 3-chiều, lấy tên là bóng bán dẫn 3 cổng [tam môn]

Tam môn là hậu duệ của FinFET, thiết bị cũ có 2 cổng 2 bên là 2 bức tường cạnh bọc quanh vây cá - được gọi là FinFET nhị môn [2 cổng]

dần dần, ngành nhận thấy phương án 2 cổng không đạt yêu cầu tỷ lệ đạt và đã điều chỉnh để tạo 3 cổng mà Intel sau rốt đã chào bán - những lớp 3 cổng trên tất cả 3 phía đối diện nhau của vây cá

sản phẩm mới vẫn được nhiều người gọi là FinFET

Chuyển đổi
đi từ mô hình đến sản xuất hàng loạt vẫn luôn là thách thức
số đo 3 chiều của vây cá - rộng, cao... - cũng như khoảng cách giữa các vây, được gọi tên là nhịp vây cá [fin pitch] đóng vai trò lớn trong hiệu năng chung

những số đo ấy cực kỳ nhỏ: ở bước xử lý 20 nanomet trở xuống, vây cá chỉ rộng 10 nanomet

nhịp vây cá [fin pitch] chỉ 60 nanomet: hàng triệu những vây cá kích cỡ nano này phải được gia công [fabricate] với cực ít sai số [variation]
ra mắt cùng lúc với những kỹ thuật đa-bố-cục-mẫu-chip mới, việc thực hiện là cực khó
sau Intel, tất cả các xưởng đã vật lộn với việc tăng quy mô sản xuất những sản phẩm FinFET đầu tiên có tỷ lệ đạt chấp nhận được, gây ra chậm trễ
TSMC và Samsung sau rốt đã vượt ải năm 2013 với cái họ gọi là những bước tiến trình 16/14 nanomet
GlobalFoundries ra mắt bước 14 nanomet riêng năm 2014, mua bản quyền bước tiến trình từ Samsung

Cổng bao quanh
FinFET hiệu quả ở những thế hệ N7 và N5 nhưng gần đây cũng mất hiệu lực
các xưởng làm mọi cách để vắt sữa hiệu năng - ví dụ làm vây cá càng lúc càng cao - nhưng sau rốt vẫn cần một bộ những cấu trúc mới
ngành quyết định rằng cổng bao quanh sẽ là kiến trúc mới

FinFET hiệu quả hơn vì cổng đã bao phủ thêm diện tích bề mặt trên kênh, để kiểm soát tốt hơn

cổng bao quanh sẽ tiếp bước ý tưởng ấy bằng cách hoàn toàn bao quanh 'kênh', bao cả phía đáy là nơi mà trước đây chưa bao phủ

xây 'cổng' hoàn toàn bao quanh 'kênh' cũng có nghĩa là ta có thể xếp chồng thêm kênh - gọi là dây-nano - lên nhau khi các 'kênh' đi qua cổng, tiện thể

tháng 6 năm 2022 Samsung đã bắt đầu bán ra bước xử lý 3 nanomet với sản phẩm FET cổng-bao-quanh

TSMC vẫn xài FinFET cho bước tiến trình N3 sắp tới nhưng sẽ áp dụng cổng-bao-quanh cho bước tiến trình lớn tiếp sau là N2 đang được xây dựng ở thành phố Bảo Sơn tỉnh Vân Nam

Kết
bóng bán dẫn 3-chiều là kỹ thuật tinh vi nhưng không rẻ

chi phí phụ trội cho cấu trúc phức tạp của FinFET đã khiến 28 nanomet - bước cổng phẳng cuối cùng - là đáy mà tại đó chi phí mỗi cổng ngừng giảm và bắt đầu tăng lại

cổng-bao-quanh đã tăng tốc thêm xu hướng ấy: làm sao ta có thể xây dựng được những khe trống giữa các dây-nano khi mà ta chỉ có thể khắc axit [etch] theo chiều bổ xuống [downward]?

giải pháp sẽ cần những siêu mắt cáo và một phương pháp luận mới gọi tên là lắng đọng lớp nguyên tử [atomic layer deposition]

những cấu trúc mới khiến bước tiên tiến trở nên bất khả thi về mặt kinh tế hơn cho những công ty không phải đại gia, và có lẽ kể cả những công ty lớn cũng lắc đầu

trong một phỏng vấn mới đây, giám đốc công nghệ [CTO] của ASML nói là ông nghĩ chúng ta đang tiến gần đến kết thúc của quang khắc, không phải vì bản thân công nghệ mà vì khả thi kinh tế

ta luôn có thể nghĩ ra những cấu trúc mới, FinFET mới, cổng-bao-quanh mới, EUV mới... nhưng ai, hay cái gì tiếp theo, có thể chi trả để thực hiện