هل تتخيل أن تكون “سيد الترانزستور” في شركة تُنتج مئات التريليونات منه كل يوم؟ 👨‍🔬 هذا ما يُطلق عليه زملاء طاهر غني، مدير تطوير بارز في مجموعة تطوير التكنولوجيا في إنتل، بعد مسيرةٍ ثلاثية العقود مليئة بالإنجازات. 🚀

ساهم غني في أكثر من 900 براءة اختراع، وترك بصمته على كل تغييرٍ رئيسيٍّ في ترانزستور CMOS خلال تلك الفترة. 💡

ولكن، مع توجه إنتل نحو تغييرٍ رئيسيٍّ آخر، الانتقال من تقنية FinFET إلى RibbonFET (ترانزستورات النانو صفائح)، سألته مجلة IEEE Spectrum عن أصعب تغييرٍ واجهه في تاريخه. 🤔

ثلاث مراحل رئيسية في تطور الترانزستور

قبل RibbonFET، شهد ترانزستور CMOS ثلاث مراحل رئيسية للتطور. في مطلع القرن، كان التركيز على تقليص الحجم فقط. وكان يتم بناء مصدر وتفريغ منفصلين عن منطقة القناة في مستوى السليكون. تُغطي طبقةٌ رقيقة من أكسيد السليكون هذه المنطقة، مع طبقةٍ أسمك من السليكون متعدد البلّورات فوقها.

يتيح الجهد المطبق على البوابة ظهور قناة موصلة تربط المصدر والتفريغ، مما يسمح بتدفق التيار. ولكن، مع تقليص الحجم، أصبح إنتاج جهاز يُمرر تيارًا كهربائيًا كافيًا أكثر صعوبة، خاصةً لنصف الأجهزة التي تقوم بتوصيل الثقوب المشحونة إيجابًا. وكان الحل هو شدّ شبكة بلّورات السليكون، مما يسمح للشحن بالتحرك بشكل أسرع.

في عام 2002، أضافت إنتل قليلًا من الجرمانيوم السيليكوني إلى المصدر والمصب، مما جعل هيكل البلّورات الأكبر يُضغط السيليكون في القناة بينهما. 🌍

أصبحت طبقة العزل الرقيقة من ثاني أكسيد السيليكون، التي تفصل البوابة عن القناة، سمكها خمس ذرات فقط! 😲

FinFET وتقنية البوابة عالية k/المعدنية

في عام 2012، أتت تقنية FinFET، حيث تمّ قلب منطقة القناة بشكلٍ أساسي على جانبها، مما يُحسّن السيطرة على تدفق التيار. لكن، جاءت تقنية البوابة عالية k/المعدنية، وهي الأكثر مخاطرةً في نظر غاني، لتُحدث نقلةً نوعية. 🔄

«إذا أخذتُ التغييرات الثلاثة الكبرى في الترانزستورات خلال ذلك العقد، فإن شعوري الشخصي هو أن بوابة المعادن العالية/k كانت الأكثر مخاطرة من كلها»، قال غاني. «عندما انتقلنا إلى بوابة المعادن العالية/k، فهذا يعني تغيير قلب الترانزستور MOS.»

كانت المشكلة الرئيسية هي نفاد الذرات، حيث وصلت طبقة السيليكون الديوكسيد الرقيقة العازلة إلى حدها الأقصى – خمس ذرات فقط! 🧱

لم يعد بالإمكان تقليل سمكها، مما تسبب في مشاكل في أداء الطبقة العازلة. كان لزامًا على الفريق إيجاد مادة عازلة ذات ثابت عزل عالي، أو مواد عازلة عالية الك، مما ساهم في تثبيت جهد العتبة. 💡

«لم يكن ثمة مخرج سوى…إضافة بوابة معدنية أيضاً»، يقول غاني. تُحقق المادة المعدنية تماسكاً أفضل مع العازل عالي ثابت العزل، مُخلصاً مشكلة التثبيت. لكن إيجاد المعدن المناسب أثار مشكلاته الخاصة. ⚙️

«كالكلب نحو عظمه، كانت المنظمة بأسرها متحمسة لتنفيذ ذلك.» — طاهر غاني، شركة إنتل

كان الحلّ هو عكس العملية وإجراء تركيب البوابة في النهاية، بدلًا من بناءها أولاً. شملت العملية الجديدة، التي تُسمى “بوابة أخيراً”، البدء ببوابة وهمية، وهي كتلة من السيليكون متعدد البلّورات، ثم إزالة البوابة الوهمية واستبدالها بالديالكتريك عالي الكي والبوابة المعدنية. اضطرت إنتل لاستخدام أداة جديدة ترسيب الطبقة الذرية.

يقول غني: “لقد اضطررنا إلى تغيير التدفق الأساسي الذي قمنا به لعقود عديدة. لقد أضفنا جميع هذه العناصر الجديدة وغيّرنا قلب الترانزستور؛ بدأنا نستخدم أدوات لم تكن موجودة من قبل في الصناعة. لذلك، إذا نظرتم إلى وفرة التحديات التي واجهناها، أعتقد أنها كانت بالتأكيد المشروع الأكثر صعوبة عملت عليه.”

عقد 45 نانومتر

لم يكن هذا النهاية، بالطبع. كان على العملية الجديدة أن تُنتج الأجهزة والدارات بشكل موثوق، وأن تُكمل الدوائر المتكاملة. أخذ الفريق وقتًا طويلًا، فقد طور عمليات لكل من NMOS و PMOS، وبنى رقائق السيليكون لكل جهاز على حدة، ثم معًا قبل الانتقال إلى أشياء أكثر تعقيدًا.

حتى في ذلك الحين، لم يكن واضحًا أن بوابة المعادن عالية الكي سيصبح مصنعًا تصنيعًا جديدًا لـ Intel، وهو العقد 45 نانومتر. “في كل مرة تنتقل فيها إلى قواعد تصميم جديدة، توجد مشكلات تثيرها قواعد التصميم”. “لذلك لا تريد الخلط بين مشاكل بوابة المعادن عالية الكي ومشاكل قواعد التصميم”.

“أعتقد أنه استغرق منا أكثر من عام ونصف قبل أن نفكر بأننا جاهزون لإخراج دفعة الإنتاج الأولى”.

«كان الحُصيلة الأول… مُذهلةً للمرة الأولى»، يتذكر غاني. بإدراك كثافة العيوب المُتفوقة على التوقعات في ذاكرة الوصول العشوائي المُزامنة (SRAM)، وقدرة الفريق على تصنيف طبيعة هذه العيوب، وإدراك الوقت المُتاح قبل موعد تسليم عقدة 45 نانومتر، قررت الإدارة الالتزام بتقنية البوابات المعدنية عالية الكيّ (high-k/metal gate) كتقنية إنتاجها القادمة. «كان التزام الجميع بالعمل كالكلب المُلتصق بالعظم»، يقول.

هل ما زالت إنتل تتمتع بنفس روح المغامرة؟ يُجيب غاني بالإيجاب، مُستشهداً بتطبيق تقنية توصيل الطاقة من الخلف مؤخراً. «قبل سبع أو ثماني سنوات، قررنا أن نُلقي نظرةً مُتأنيةً على مُلامسات الطاقة من الخلف، واستمررنا في الضغط على ذلك.»

المصدر: IEEE Spectrum