Selama beberapa dekade, industri komputer telah mengikuti formula sederhana: mengurangi ukuran transistor dan mengemas lebih banyak transistor ke dalam sebuah chip. Strategi ini memicu peningkatan luar biasa dalam daya komputasi yang diprediksikan oleh Hukum Moore. Namun ketika komponen mendekati skala atom, para insinyur semakin menghadapi batasan fisik silikon dan efek mekanika kuantum.
Banyak peneliti percaya bahwa terobosan besar berikutnya tidak akan datang dari perangkat yang semakin menyusut, namun dari pengembangannya.
Sebuah tim yang dipimpin oleh Qing Cao, profesor ilmu dan teknik material di Grainger College of Engineering di Universitas Illinois, telah mendemonstrasikan metode baru untuk menumpuk beberapa lapisan komponen elektronik silikon langsung di atas satu sama lain. Pendekatan ini dapat meningkatkan kepadatan komputasi secara signifikan, meningkatkan kinerja, dan mengurangi konsumsi daya, sekaligus memperluas kemajuan yang telah mendorong industri semikonduktor selama lebih dari setengah abad.
“Pertimbangkan sesuatu yang sederhana seperti memori akses acak statis, yang bersifat universal di seluruh CPU dan GPU. Saat ini, dibutuhkan enam perangkat mikroelektronik yang disebut transistor pada satu bidang untuk menyimpan satu bit informasi. Dengan integrasi vertikal, Anda dapat menyebarkannya ke beberapa lapisan. Ini seperti mengganti pinggiran kota yang luas dengan gedung pencakar langit: Anda mendapatkan fungsi yang sama, namun jejak spasial berkurang sekaligus membuat komunikasi antar lapisan menjadi lebih cepat dan efisien,” jelas Cao.
Para peneliti melaporkan bahwa proses mereka mencapai efisiensi 98 hingga 100 persen menggunakan silikon monokristalin standar, bahan semikonduktor yang mendasari elektronik modern. Hasilnya menunjukkan bahwa teknik ini pada akhirnya dapat diadopsi oleh pembuat chip komersial.
“Integrasi vertikal sudah mulai diterapkan pada perangkat komersial, terutama pada perangkat keras AI khusus, namun integrasi monolitik adalah hal yang membuka peluang penuh dari chip 3D,” kata Cao. “Untuk pertama kalinya, kami mencapai anggaran termal dari integrasi 3D monolitik menggunakan silikon monokristalin standar dan memberikan kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya.”
Hasilnya dipublikasikan di Alamjurnal yang jarang menyajikan artikel penelitian tentang mikroelektronika silikon.
Mengapa industri semikonduktor sedang naik daun
Selama sekitar 60 tahun, Hukum Moore telah memandu pengembangan chip. Prinsipnya memperkirakan bahwa kepadatan transistor pada sirkuit terpadu akan berlipat ganda setiap dua tahun, sehingga menghasilkan prosesor yang lebih cepat dan efisien.
Tren ini telah bertahan dengan baik, namun semakin sulit untuk dipertahankan.
“Dalam arti tertentu, kita mencapai batas yang ditentukan oleh fisika,” kata Cao. “Jika Anda melihat ukuran sebenarnya dari transistor, mereka tidak bertambah kecil, terutama dalam hal jarak gerbang kontak. Memang, kita dibatasi oleh sifat material intrinsik silikon dan aturan dasar mekanika kuantum. Jika kita ingin mempertahankan tren peningkatan kekuatan pemrosesan mikroprosesor, kita perlu mulai berpikir lebih dari sekadar memasukkan lebih banyak perangkat ke dalam satu permukaan.”
Penumpukan perangkat secara vertikal menawarkan alternatif yang menarik. Daripada terus menyusutkan masing-masing transistor, para insinyur dapat melapisi beberapa lapisan sirkuit. Hal ini tidak hanya menciptakan lebih banyak ruang untuk komponen, namun juga mengurangi jarak kabel, sehingga mengurangi kapasitansi parasit dan secara signifikan meningkatkan bandwidth komunikasi antara berbagai bagian chip.
Manfaat ini sangat penting untuk kecerdasan buatan dan aplikasi komputasi intensif data lainnya.
Janji chip 3D monolitik
Teknologi chip 3D komersial saat ini sudah menggunakan penumpukan, namun biasanya melibatkan pembuatan perangkat semikonduktor pada wafer terpisah sebelum menyatukannya. Contohnya termasuk memori bandwidth tinggi dan teknologi 3D V-Cache AMD.
Meskipun efektif, metode ini mempunyai keterbatasan. Penjajaran antar lapisan relatif kasar, dan sambungan vertikal yang dikenal sebagai through-silicon vias (TSVs) relatif besar dan jarang.
Integrasi tiga dimensi monolitik mengambil pendekatan yang berbeda. Daripada menggabungkan wafer yang sudah jadi, setiap lapisan perangkat baru dibuat langsung di atas lapisan sebelumnya. Hal ini memungkinkan koneksi vertikal yang lebih padat, jarak antar lapisan yang lebih kecil, dan akurasi penyelarasan diukur dalam nanometer.
Para peneliti telah mempelajari konsep ini selama bertahun-tahun karena konsep ini dapat meningkatkan konektivitas antar lapisan sebanyak 10 hingga 100 kali dibandingkan dengan metode penumpukan konvensional.
Mengatasi masalah panas
Hambatan terbesar bagi integrasi monolitik adalah suhu.
Produksi silikon kristal berkualitas tinggi dan pembuatan perangkat semikonduktor berkinerja tinggi biasanya memerlukan suhu mendekati 1.000 derajat Celcius. Namun, ketika interkoneksi logam sudah ada di lapisan sirkuit yang telah selesai, suhu seperti itu akan menghancurkannya.
“Secara umum, industri menerima bahwa setelah lapisan pertama sirkuit selesai dibangun, batas anggaran termal untuk lapisan tambahan adalah 400 derajat Celcius,” kata Cao. “Para peneliti di bidang akademis dan industri telah mencoba mengatasi masalah ini dengan menggunakan bahan semikonduktor selain silikon monokristalin untuk lapisan atas. Namun perangkat yang dihasilkan pasti akan mengalami masalah kinerja dan keandalan.”
Upaya sebelumnya telah mengeksplorasi alternatif, termasuk silikon polikristalin, oksida logam amorf dan nanokristalin, tabung nano karbon, dan semikonduktor dua dimensi. Namun, bahan-bahan ini sering kali menimbulkan keterbatasan kinerja atau cacat yang menyebabkan ketidakcocokan dengan transistor silikon lapisan bawah.
Nanomembran silikon ultra-tipis memungkinkan manufaktur bersuhu rendah
Tim Illinois mengembangkan proses yang mempertahankan manfaat silikon monokristalin namun tetap berada jauh di bawah batas termal.
Metode ini dimulai dengan membuat nanomembran silikon ultra tipis yang berdiri bebas dari wafer donor. Membran ini kemudian ditransfer ke substrat penerima yang sudah berisi sirkuit lengkap menggunakan roller laminator. Proses pengikatan membutuhkan suhu tidak lebih tinggi dari 200 derajat Celcius.
Karena lapisan silikon mempertahankan kualitas kristalnya, perangkat yang dihasilkan mempertahankan kinerja dan keandalan tinggi sekaligus tetap aman dalam anggaran termal yang diperlukan untuk integrasi monolitik.
“Metode kami tidak hanya lebih mudah diterapkan dan lebih murah, namun juga memiliki beberapa keunggulan dibandingkan pendekatan sebelumnya dalam menumpuk wafer silikon,” kata Cao. “Membran yang kami transfer hanya setebal 10 nanometer atau kurang, dibandingkan dengan ketebalan wafer biasa yang 500 hingga 700 mikrometer. Karena tipis, membran ini secara mekanis fleksibel agar sesuai dengan permukaan di bawahnya. Konformasi ini membantu menghindari cacat antar muka seperti rongga, yang biasa terjadi saat mencoba menyatukan dua wafer kaku melalui ikatan wafer.”
Performa tinggi dengan tiga lapisan bertumpuk
Para peneliti juga mendesain ulang arsitektur transistor.
Pembuatan transistor tradisional bergantung pada proses yang disebut doping, yang memasukkan pengotor ke dalam silikon untuk mengontrol perilaku listrik. Proses ini umumnya membutuhkan suhu di atas 600 derajat Celcius.
Untuk menghindari suhu tersebut, tim menggunakan transistor tanpa sambungan. Dalam perangkat ini, silikon didoping secara merata dan banyak sebelum proses penumpukan dimulai. Lapisan silikon yang sangat tipis masih memungkinkan pengendalian gerbang transistor secara efektif, sementara tingkat doping yang tinggi membantu mengurangi resistensi kontak parasit.
Dengan menggunakan strategi ini, para peneliti membuat tiga lapisan bertumpuk, masing-masing berisi 625 transistor. Perangkat tersebut menunjukkan keseragaman yang tinggi dan hasil produksi yang tinggi.
Kepadatan arus keluarannya cocok dengan transistor silikon konvensional yang dibuat pada wafer besar pada suhu yang jauh lebih tinggi. Mereka juga mengungguli perangkat monolitik yang terbuat dari bahan alternatif setidaknya tiga hingga empat kali lipat.
Tim menghubungkan lapisan-lapisan tersebut menggunakan interkoneksi logam vertikal dan berhasil mendemonstrasikan sirkuit logika tiga dimensi serta sel memori statis akses acak.
Menuju manufaktur semikonduktor komersial
Menurut Cao, hasil yang paling signifikan adalah skalabilitas prosesnya.
“Tetapi yang lebih penting, kami menunjukkan bahwa proses ini dapat diperluas,” kata Cao. “Anda dapat terus menumpuk lapisan di luar tiga lapisan yang telah kami tunjukkan. Dan proses ini akan menghasilkan transistor berkinerja tinggi dengan efisiensi tinggi dan variabilitas rendah. Kami sekarang memiliki dasar yang kuat untuk mentransfer teknologi ini dan menunjukkan janji jangka pendeknya dalam industri pengecoran semikonduktor.”
Pekerjaan ini dilakukan melalui Pusat Chip Semikonduktor Tingkat Lanjut dengan Kinerja yang Dipercepat di Illinois Grainger Engineering, yang mitra industrinya meliputi IBM, Intel, dan Perusahaan Manufaktur Semikonduktor Taiwan.
Para peneliti sekarang bersiap untuk mentransfer teknologi tersebut ke pabrik pengecoran semikonduktor industri, sebuah langkah penting menuju produksi komersial chip silikon 3D yang benar-benar monolitik.
Kontributor lain dalam penelitian ini termasuk Bao Lam, Yung Man Yu, Hyunjun Nam, Hsu-Chih Ni, Shomik Chatterjee, Shaloo Rakheja, dan Jian-Min Zhuo.
Pendanaan disediakan oleh National Science Foundation, mitra industri di Center for Advanced Semiconductor Chips with Accelerated Performance di Illinois Grainger Engineering, dan Silicon Crossroads Microelectronics Commons Hub.
