מוליכים למחצה חוללו מהפכה אדירה, והטרנזיסטור היה כנראה אחת ההמצאות המדהימות ביותר של התקופה האחרונה. הודות להם , הטכנולוגיה האלקטרונית כפי שאנו מכירים אותה כיום קודמה. עם זאת, למרות היותם קיימים שנים רבות, עתידם נראה מבטיח, אם כי מעט לא ודאי...
הטרנזיסטורים המרכיבים את שבבי המחשב, הלוגיקה הכללית והזיכרון של ימינו חייבים להיות בעלי מאפיינים אידיאליים : הולכת זרם מקסימלית כאשר הם מופעלים, מניעת זרימת זרם כאשר הם כבויים, ומיתוג מהיר ככל האפשר. יתר על כן, עליהם להיות מסוגלים להשתלב בצפיפות הגבוהה ביותר האפשרית ולצרוך את כמות החשמל המינימלית האפשרית. אך זה לא תמיד קל להשגה. זו הסיבה שתעשיית המוליכים למחצה היא אחת הפעילות ביותר במחקר ופיתוח.
קצת היסטוריה של הטרנזיסטור
שפופרות ואקום היו המכשירים ששימשו במחשבים, מערכות תקשורת ומכשירים אלקטרוניים אחרים באותה תקופה. עם זאת, לשפופרות ואקום אלו היו מספר בעיות חמורות. אחת מהן הייתה שהן יכלו להישרף כמו נורות, ולכן היה צורך להחלפן מעת לעת. בעיה נוספת הייתה שלפעמים הן יכלו להיכשל, והן היו גם גדולות למדי, צרכו אנרגיה רבה, התחממו מאוד וכן הלאה.
זו הסיבה שהם החלו לחקור כדי לנסות ליצור משהו דומה לשפופרת ואקום אך במצב מוצק - כלומר, מוליכים למחצה. והתוצאה הראשונה הייתה הטרנזיסטור, שהגיע ממעבדות בל, מעבדות AT&T המפורסמות באותה תקופה. ואלה שזוהו כממציאיו היו ג'ון ברדין, ויליאם שוקלי ווולטר בראטן, שלושת זוכי פרס נובל.
הטרנזיסטור הראשון היה גולמי למדי, קשה לייצור, ולפעמים נדרש כוונון קל כדי לתפקד שוב, מכיוון שהוא השתמש בנקודת מגע שיכולה לזוז מדי פעם. עם זאת, טרנזיסטורים חזקים יותר, כפי שאנו מכירים אותם כיום, פותחו במהרה.
מאוחר יותר, ג'ק קילבי ורוברט נויס, מטקסס אינסטרומנטס ומפיירצ'יילד סמיקונדקטור בהתאמה, המציאו דרך לשלב כמה טרנזיסטורים אלה על גבי שבב מוליך למחצה מונוליטי יחיד. במילים אחרות, הם המציאו את השבב כפי שאנו מכירים אותו כיום. עם זאת, הטכנולוגיה של TI הייתה גסה יותר, מסוג MESA, ובסופו של דבר טכנולוגיית PLANAR של פיירצ'יילד ניצחה, שהיא זו שנמצאת בשימוש עד היום.
בעקבות שיפור הטרנזיסטור והמצאת השבב , היה חיפוש מתמיד אחר דרכים לשפר את ביצועי התקני מוליכים למחצה אלה. חיפוש זה נע בין שימוש בחומרים חדשים ושינוי מבנים שלהם ועד למזעורם עוד יותר. אף נעשה שימוש בטכניקות הנדסיות מתקדמות כמו סיליקון מתוח, בהן מבנה גביש הסיליקון נמתח או נדחס כדי לייצר התנגדות חשמלית נמוכה או גבוהה יותר לפי הצורך.
חלו שינויים משמעותיים בתעשיית המוליכים למחצה שהובילו להתקדמות רבה, כגון הכנסת נחושת לחיבורים מתכתיים במקום אלומיניום, הכנסת חומרים דיאלקטריים בעלי רמת K גבוהה, ולאחרונה המעבר מ-MOSFETs CMOS מישוריים למבנים תלת-ממדיים כמו FinFETs.
חשוב לציין שלשערי הטרנזיסטור היה שכבת סיליקון דיאוקסיד דקה מאוד כשכבת בידוד כדי להפריד ביניהם מערוץ הטרנזיסטור. עם זאת, החל מ-45 ננומטר, שכבה זו הפכה ללא מספקת, ולכן הוצג החומר הדיאלקטרי High-K מבוסס הפניום .
מצד שני, בעיה מרכזית נוספת התעוררה ב-28 ננומטר: אפקטי הערוץ הקצר החלו לגדול . ככל שהטרנזיסטור המשיך להתכווץ, הערוץ הפך צר יותר ויותר, מה שהפחית את יכולתו לשלוט בזרימת הזרם והוביל לזרמי דליפה מוגזמים. זו הסיבה שהחלו להשתמש בטרנזיסטורי FinFET, או טרנזיסטורים תלת-ממדיים.
הודות לטרנזיסטורי FinFET אלה, ניתן היה להקטין עוד יותר את גודל הטרנזיסטורים ללא בעיות של ערוץ קצר. הסיבה לכך הייתה שהערוץ היה מוקף בשער משלושה צדדים, במקום צד אחד בלבד כמו בטכנולוגיה מישורית. זה אפשר שליטה טובה יותר בזרימת הזרם והפחית בעיות דליפה. יתר על כן, הושגו זמני מיתוג מהירים יותר, מה שאפשר תדרי שעון גבוהים יותר.
אבל תעשיית המוליכים למחצה כבר שואפת לפריצת דרך משמעותית נוספת כדי להתגבר על בעיות הרזון והגובה של סנפירי FinFET, וזה מגיע עם הדור החדש של טרנזיסטורים לא מישוריים, הנקראים SGTs או הידועים גם בשם GAAFETs (Gate-All-Around) . טרנזיסטורי אפקט שדה חדשים אלה משתמשים בננו-גיליונות המסודרים אופקית ומערימים, מה שמאפשר לתעלת השער להיות סביב ארבעה צדדים במקום שלושה, כמו ב-FinFETs.
זה מגביר את בקרת הזרם והביצועים של טרנזיסטורים אלה, אשר מתחילים להיות בשימוש. יתר על כן, רוחב כל ננו-גיליון ומספר הננו-גיליונות בכל טרנזיסטור יכולים להשתנות, מה שמאפשר עיצובים מותאמים אישית.
בשנת 2022, סמסונג הייתה הראשונה להכריז על שימוש ב-GAA בתהליך ה-3nm שלה. עם זאת, עקב בעיות תפוקה בייצור שבבים בנפח גבוה, GAA נדחה עד 2024. TSMC מתכננת להתחיל להשתמש ב-GAA בתהליך ה-2nm שלה עד 2025 או 2026, בעוד אינטל תעשה משהו דומה עם צומת ה-20A שלה.
עם זאת, תעשיית המוליכים למחצה לא תעמוד במקום אחרי ה-GAA, וזה בדיוק מה שאנחנו הולכים לספר לכם כאן: מה בא אחרי ה-GAA?
עתידם של מוליכים למחצה
לאחר טרנזיסטורי GAA, טרנזיסטורים יתחילו להתפתח ולהשתפר עוד יותר, והם יעשו זאת בצורת טרנזיסטורי מזלג, המכונים גם CFETs (טרנזיסטורי FET משלימים תלת-ממדיים) . בסוג זה של טרנזיסטור, שיגיע בעוד מספר שנים, הערוץ והפינים יוזזו יחד, קרובים מאוד זה לזה, ויערמו אנכית.
מבנה ה-CFET הדגים שיפור ביצועים של 8% בהשוואה לטכנולוגיות הנוכחיות, יחד עם הפחתה של 44% בשטח, מה שהביא לצפיפות אינטגרציה גדולה יותר. עם זאת, עדיין קיימים אתגרי ייצור.
אבל זו לא תהיה החידוש היחיד שנראה, שכן אחרים יבואו בעקבותיה, כמו חומרים דו-ממדיים - כלומר, שכבות של מוצקים גבישיים בעובי אטום אחד. אחד החומרים הידועים ביותר במקרה זה הוא גרפן, המורכב משכבת פחמן בעובי אטום אחד המובנית בתאים גבישיים משושים. אבל גרפן לא יהיה החומר היחיד מסוג זה שישמש.
אחד החומרים הדו-ממדיים המבטיחים ביותר עבור הדור הבא של ננו-גיליונות יהיה TMD (Transition Metal Dichalcogenide) . משפחת חומרים זו כוללת מוליבדן דיסולפיד (MoS2), טונגסטן דיסולפיד (WS2), טונגסטן דיסלניד (WSe2) ואחרים. חומרים אלה יהיו המפתח לתהליכי ייצור שבבים עתידיים.
בעבר, המחקר התמקד גם ב- CNTs, או ננו-צינוריות פחמן , חומר חד-ממדי מבטיח נוסף. עם זאת, למרות למעלה מ-30 שנות מחקר, ייצורם התמודד עם אתגרים משמעותיים. הבעיה היא שמיליוני ננו-צינוריות בודדות חייבות להיות מגודלות ויישרות באותו אופן, וזה לא משימה קלה. זו הסיבה שחומרים דו-ממדיים הם הרבה יותר רב-תכליתיים וקלים יותר לייצור.
כדי לגדל חומרים דו-ממדיים, ניתן להשתמש בטכניקות שכבר נמצאות בשימוש בתעשיית המוליכים למחצה, כגון CVD ו-ALD. אלה כוללות שיקוע אדים כימי, שיקוע שכבות אטומיות וכן הלאה. עם זאת, שיטות אלו עדיין מציבות אתגרים, ולכן הן אינן בשימוש כיום לייצור המוני, למרות שחברות רבות מתמקדות בחומרים אלו, כגון החברות האירופיות Graphenea ו-Applied Nanolayers, שבונות בתי יציקה לגרפן.
בנוסף לשיטות שיקוע או גידול, חומרים דו-ממדיים המופקדים על מצעים של נחושת או ספיר, בין היתר, דורשים שלב העברה נוסף כדי להעביר את החומר לפרוסת הסיליקון הסופית. עם זאת, שיטות ההעברה הנוכחיות אינן מספיקות עבור שוק ה-CMOS. לדוגמה, טכניקת ההעברה המקובלת ביותר היא איכול רטוב על מצע הנחושת באמצעות PMMA (פולימתיל מתקרילט), אך שאריות PMMA יכולות לפגוע בתכונות החשמליות של גרפן.
שיטות אלו עשויות להספיק עבור יישומים פחות תובעניים, כגון צגים, חיישנים וכו', אך לא עבור שבבים בעלי ביצועים גבוהים... אך הן יגיעו בעוד מספר שנים.
תעשיית השבבים תוססת מתמיד! ול-Si יש עוד דרך ארוכה לעבור...