Чэньмин Ху, обладатель почётной медали IEEE 2020 года, вывел транзисторы в третье измерение

Шёл 1995 год. Прогресс в технологии чипов не отставал от закона Мура — наблюдения, согласно которому количество транзисторов в чипе удваивается примерно каждые два года – в основном из-за уменьшения размера транзисторов.

Однако горизонт уже не казался таким безграничным. Впервые по полупроводниковой индустрии поползли слухи, предрекающие кончину закона Мура. Золотые денёчки подойдут к концу, вещали предсказатели, когда размер критически важной характеристики транзистора, которая тогда имела размер порядка 350 нм, опустится до 100 нм. Беспокоилось даже правительство США – настолько, что агентство DARPA забило тревогу и запустило программу поиска новых технологий чипов, способных продолжить прогресс.

Чэньмин Ху, тогда работавший профессором электротехники и информатики в Калифорнийском университете в Беркли с радостью принял этот вызов. Он сразу же придумал решение задачи – на самом деле, даже два – и, сидя в самолёте, набросал их начерно. Одна из этих идей заключалась в том, чтобы поднять канал прохождения тока так, чтобы он возвышался над поверхностью чипа. Она превратилась в технологию FinFET, за которую в этом году Ху вручили почётную медаль IEEE «за выдающуюся карьеру в разработке и практическом применении полупроводниковых моделей, в частности, трёхмерных структур, способствовавшую сохранению закона Мура на многие десятилетия».

Естественно, история FinFET началась не с того, что Ху начал рисовать что-то карандашом на бумаге на откидном столике в самолёте.

Она началась на Тайване, где Ху, любопытный ребёнок, проводил домашние эксперименты с морской водой, и разбирал (а потом собирал) будильники. Оканчивая школу, он всё ещё интересовался наукой, преимущественно химией. Но вместо того, чтобы учиться на химика, он поступил на факультет электротехники в Национальном Тайваньском университете, даже не зная точно, что именно делает электротехника. Это был просто вызов для него – для этой программы обучения требовались наивысшие оценки.

На последнем году обучения Ху открыл для себя индустрию, которую потом потрясут его действия – и всё благодаря Фрэнку Фэнгу, приглашённому для чтения лекций из США.

«Это был 1968 год, — вспоминает Ху, — и Фэнг рассказал нам, что будущие телевизоры будут делать на основе полупроводников, и что телеприёмники превратятся в нечто вроде фотографий, которые можно будет вешать на стены».

В эпоху громоздких телевизоров с кинескопами это привлекло внимание Ху. Он решил, что изучение полупроводников ему подойдёт, и подал заявку на обучение в США. В 1969 году он оказался в Беркли, где присоединился к исследовательской группе, работающей над металл-оксид-полупроводниковыми транзисторами (МОП-структурами).

Вскоре его карьера изменила направление, поскольку, как он вспоминает, она ему казалась слишком лёгкой. Он переключился на исследование оптических схем, защитил докторскую по интегральной оптике, и перевёлся в MIT чтобы продолжать работы в этой области.

А потом, в 1973 году, ввели эмбарго на нефть. «Мне казалось, что я должен сделать что-то важное, — сказал он, — полезное, а не просто писать какие-то работы».

Поэтому он переключился на разработку недорогих солнечных панелей для наземного применения – в те времена солнечные элементы использовали только на спутниках. В 1976 году он вернулся в Беркли, уже будучи профессором, планируя вести исследования в области энергетики, включая гибридные автомобили – и они привели его обратно к полупроводникам. «Электромобили, — поясняет Ху, — требуют высокого напряжения и высокотоковых полупроводниковых устройств».

В начале 1980-х возвращение к исследованиям в области полупроводников оказались удачным ходом. Правительство прекратило финансировать исследования в области энергетики, но несколько компаний, расположенных в Заливе Сан-Франциско, поддерживали исследования полупроводников и переход на корпоративное финансирование «осуществить было не очень трудно», говорит Ху. Он начал проводить больше времени в Кремниевой долине, недалеко от Беркли, по приглашению компаний преподавал краткие курсы по полупроводниковым устройствам. В 1982 году он провёл творческий отпуск в сердце Кремниевой Долины, в компании National Semiconductor в Санта-Кларе.

«То моё участие в работе этой индустрии надолго повлияло на мою жизнь, — говорит Ху. – В науке мы узнаём важные вещи друг от друга, и я интересовался чем-либо, когда читал чужую работу и думал, что могу сделать лучше. А потом, когда я познакомился с индустрией, я понял, что именно там скрываются интересные задачи». И это откровение привело к тому, что Ху стал активнее исследовать трёхмерные структуры транзисторов.


Особенности FinFET: у каждого транзистора есть исток, сток, проводящий канал, их соединяющий, и затвор, управляющий током в канале. В FinFET канал поднят над поверхностью чипа – как акулий плавник [англ. fin — плавник] – что позволяет затвору обернуть его с трёх сторон, в результате чего он может лучше управлять током.

У полевого транзистора есть четыре основных компонента — исток, сток, проводящий канал, их соединяющий, и затвор, управляющий током в канале. И чем меньше делались эти компоненты, тем чаще люди замечали изменения в поведении транзисторов по прошествии длительного времени. Эти изменения не проявляли себя в кратковременных испытаниях, и компании с трудом предсказывали, проявятся ли они, или нет.

В 1983 году Ху прочитал работу, опубликованную исследователями из IBM, где описывалось подобное изменение. Благодаря опыту работы в National Semiconductor он понял, какие трудности могут возникнуть у индустрии из-за этого отсутствия долгосрочной надёжности. Если бы он не работал «на передовой», говорит он, «я не понимал бы важность этой проблемы, и не захотел бы тратить на её решение почти 10 лет».

Ху решил принять вызов, и с группой студентов разработал теорию инжекции горячих носителей для предсказания надёжности МОП. Эта численная модель описывает деградацию устройства в процессе миграции электронов. Затем он обратился к другой проблеме надёжности: к тому, как со временем разрушаются оксиды, что стало важным, поскольку производители постепенно делали оксидные слои полупроводников всё более тонкими.

Ху говорит, что эти исследования потребовали от него тщательно разобраться в процессах, происходящих внутри транзисторов. Впоследствии эта работа породила наборы моделей транзисторов Berkeley Reliability Tool (BERT) и BSIM. BSIM стал стандартом в индустрии и используется по сей день; Ху всё ещё руководит регулярным обновлением своих моделей.

Ху продолжал работать со студентами, изучая базовые характеристики транзисторов – как они работают, как отказывают, как меняются со временем – вплоть до середины 1990-х. А тем временем коммерческие чипы развивались в соответствии с законом Мура. Однако к середине 90-х, когда средний характерный размер достиг 350 нм, перспективы ещё дальше сжимать размер транзисторов начали вызывать у производителей беспокойство.

«Конец закона Мура уже просматривается», — вспоминает Льюис Терман, в то время работавший в IBM Research.

Основной проблемой было питание. Чем меньше становились характерные размеры, тем больше проблем причинял ток, утекающей в то время, пока транзистор закрыт. И эти утечки становились настолько значительными, что увеличивали – или даже составляли большую часть – энергопотребления чипа.

«Начали появляться работы с прогнозами о том, что закон Мура для КМОП закончится при переходе рубежа в 100 нм, поскольку в какой-то момент придётся рассеивать больше энергии на квадратный сантиметр, чем в сопле ракеты, — вспоминает Ху. – Индустрия объявила битву проигранной».


Чэньмин Ху стал преподавать в Калифорнийском университете в Беркли в 1976 году.


Среди первых тем его исследований были гибридные автомобили, в частности, бензино-электрический автомобиль, представленный им на собрании членов правления Калифорнийского университета в 1980-м.


В своей лаборатории в 1997-м Ху активно занимался разработкой FinFET на деньги от DARPA

Не желая отказываться от закона Мура, DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) подыскивала исследования, обещавшие преодолеть этот барьер, с целью их профинансировать. В середине 1995 года оно запустило проект названный «переход на 25 нм».

«Мне понравилась идея с размерами в 25 нм – он достаточно далеко выходил за рамки того, что в индустрии считалось возможным», — сказал Ху.

Ху считал фундаментальную проблему предельно ясной – нужно сделать канал настолько тонким, чтобы электроны не могли ускользнуть за затвор. На тот момент среди решений этой проблемы было предложение сделать слой оксида в затворе более тонким. Благодаря этому управление каналом становилось лучше, и ток утечки уменьшался. Однако работа Ху показала, что такой подход слишком сильно приближался к опасному пределу: если сделать слой оксида слишком тонким, то электроны смогут перепрыгивать через него на кремниевую подложку, что породит ещё один источник утечки.

В голову сразу же приходили два других варианта. Один – усложнить зарядам обход затвора, добавив слой изоляции в кремнии под транзистором. Такую схему назвали «полностью обеднённым кремнием на подложке», или FDSOI. Другой заключался в том, чтобы увеличить возможности затвора по контролю заряда, подняв тонкий канал над подложкой на манер акульего плавника – так, чтобы затвор можно было обернуть вокруг канала с трёх сторон, а не просто провести сверху. Такую структуру назвали FinFET, и у неё было ещё одно преимущество – использование третьего измерения уменьшало загрузку двумерной плоскости, и открыло путь к созданию трёхмерных транзисторов.

Однако времени на отправку заявки в DARPA оставалось не так много. О предложении финансирования Ху узнал от одного из своих коллег, Джеффри Бокора, который узнал о нём, занимаясь виндсёрфингом с директором программы из DARPA. Поэтому Ху быстро встретился с Бокором и ещё одним их коллегой, Цу Дже Кингом, и договорился, что команда нарисует предложение за неделю. Через пару дней, находясь в самолёте, летящем в Японию, он набросал два варианта схемы, и по прибытии в свой отель отправил рисунки и техническое описание по факсу обратно в Беркли. Команда отправила его предложение, и позже DARPA выделила команде грант на четырёхлетние исследования.

До того в научных работах уже появлялись идеи, похожие на FinFET. Однако Ху с командой реально создали устройства, пригодные для промышленного производства, и показали, как их схема позволит делать транзисторы с характерным размером в 25 нм и менее. «Другие учёные, читавшие эти работы, не считали такой подход решением проблемы, поскольку такие транзисторы было бы сложно изготавливать, и непонятно, будут они работать или нет. И даже авторы самих работ не развивали эту идею дальше, — говорит Ху. – Думаю, что разница была в том, что мы посмотрели на эту задачу, и решили, что хотим с ней работать не потому, что мы хотели написать очередную работу или получить очередной грант, но потому, что мы хотели помочь индустрии. Мы считали, что нам нужно продлить действие закона Мура».

«Мы, как технологи, — продолжает Ху, — отвечали за то, чтобы он не останавливался. Поскольку как только он остановится, мы сразу потеряем надежду на расширение наших возможностей по решению сложнейших задач человечества».

Чэньмин Ху, родился 12 июля 1947 в Пекине.
Рост 180.
Жена Маргарет, сыновья Рэймонд и Джейсон.
Степень бакалавра в Национальном тайваньском университете, 1968.
Степень магистра и доктора в Калифорнийском университете в Беркли, 1973 – в обоих случаях по электротехнике.
Первая работа: репетитор старшеклассников.
Первая работа в техноиндустрии: адъюнкт-профессор в MIT.
Текущая работа: почётный профессор Калифорнийского университета в Беркли.
Имеет более 100 патентов.
Самый крупный сюрприз в карьере: насколько далеко продвинулась технология полупроводников.
Входит в советы директоров компаний ACM Research, Ambarella, Inphi.
Герой: Моррис Чен [основатель TSMC, крупнейшего контрактного производителя полупроводниковых микросхем].
Любимое периодическое издание: Psychology Today.
Любимая музыка: классическая.
Любимый фильм: Парк Юрского периода (1993)
Хобби: рисование, прогулки по пересечённой местности.
Говорит на английском и мандаринском. Водит машину Tesla S.
Крупные награды: почётной медали IEEE 2020 года «за выдающуюся карьеру в разработке и практическом применении полупроводниковых моделей, в частности, трёхмерных структур, способствовавшую сохранению закона Мура на многие десятилетия», Национальная медаль за технологии и инновации Барака Обамы.

Они с командой «были хорошо приспособлены для разработки FinFET благодаря тому, как он обучал своих студентов размышлять по поводу устройств», говорит Элиз Розенбаум, его бывшая студентка, а теперь – профессор в Иллинойском университете в Урбане-Шампейне. «Он подчёркивает важность общей картины, количественного понимания ситуации. Изучая полупроводниковое устройство, некоторые люди концентрируются на создании модели и последующем численном решении всех точек трёхмерной сетки. Он научил нас делать шаг назад, попытаться представить распределение электрического поля в устройстве, расположение потенциальных барьеров, и то, как меняется электрический ток, когда мы меняем размеры определённой части».

Ху настолько верил в важность визуализации поведения полупроводниковых устройств, что однажды, по воспоминаниям Розенбаум, пытаясь обучить студентов этому процессу, «он построил для нас модель поведения МОП-транзистора из пластилина, взятого у своих детей».

«Всё это выглядело, как изобретение, внезапно появившееся на пустом месте, — сказал Фари Ассадераги, бывший студент, а теперь главный вице-президент по инновациям и передовым технологиям в NXP Semiconductors. – Однако его команда работала над фундаментальными концепциями идеального устройства, начиная с самых основ физики. И идея о создании подобной структуры происходит оттуда».

К 2000-му году, к концу четырёхлетней финансовой поддержки, Ху с командой создали работающие устройства и опубликовали своё исследование, что привлекло мгновенный интерес многих представителей индустрии. Однако ещё десять лет ушло на то, чтобы чипы FinFET начали сходить с конвейеров, и первым стал чип от Intel в 2011 году. Почему это заняло так много времени?

«Ситуация пока ещё не сломалась, — поясняет Ху, имея в виду способность индустрии производить всё более и более компактные схемы. – Люди считали, что она сломается, но нельзя чинить то, что ещё не сломалось».

Оказалось, что менеджеры DARPA предсказали будущее – они назвали проект финансирования «переход на 25 нм», а когда появились FinFET, полупроводниковая индустрия уже перешла на техпроцессы меньше 25 нм.

Тем временем FDSOI также развивалась и даже сегодня используется в индустрии. В частности она применяется в оптических и радиоустройствах, а FinFET доминирует в индустрии процессоров. Ху говорит, что он никогда не говорил, что один из подходов лучше другого.

В дни зарождения FinFET Ху взял отпуск из Беркли на три года, чтобы поработать техническим директором у производителя полупроводников TSMC на Тайване. Он считал это возможностью отдать долг стране, где он получил первоначальное образование. Он вернулся в Беркли в 2004-м, продолжил преподавать, изучать энергоэффективные полупроводниковые устройства и поддерживать BSIM. В 2009 году Ху завершил регулярное преподавание, но в качестве почётного профессора до сих пор работает с аспирантами.

После возвращения Ху в Беркли технология FinFET захватила индустрию. А закон Мура не закончился на 25 нм, хотя его кончину до сих пор регулярно предсказывают.

«Прогресс будет постепенно замедляться, но замены МОП у нас не появится ещё сотню лет», — говорит Ху. Однако он не теряет надежды. «Существуют способы улучшения плотности схем, энергопотребления и скорости, и мы можем ожидать, что индустрия полупроводников продолжит выдавать людям всё более полезные, удобные и портативные устройства. Нам нужно подходить к вопросу более творчески и с большей уверенностью».