Бурное развитие микроэлектроники, более 30 лет тому назад, предсказанное "законом Мура", который сформулировал вице-президент компании "Intel" гласит: "Объем пространства, занимаемый транзисторной структурой в чипе сокращается вдвое примерно каждые полтора года". Микроэлектроника, в основе которой лежат транзисторные структуры, достигла впечатляющих успехов:

1) на рынок ежегодно поставляются 10²⁰ транзисторов 2) плотность упаковки такова, что на булавочной головке можно разместить 200 млн. тр., причем расстояние между транзисторами 0,001 толщины человеческого волоса (толщина человеческого волоса ~100 мкм., а топологический размер элемента в современной электронике ~ 0,1 мкм.)

3) скорость переключения транзистора ~ 10²⁰ раз в сек. Это означает, что если человек будет включать и выключать обычный выключатель столько раз, то ему понадобится 25000 лет. Себестоимость производства транзистора сопоставима с затратами печатания одного типографского знака. Это обусловлено тем, что в технологическом процессе одновременно на одной пластине обрабатывается до 5 тыс. чипов, каждый из которых содержат миллионы транзисторов.

Создание БТ (1947 г.), получение патента на маскирующие свойства SiO₂ (1956 г.), создание первой ИС на германии (1958 г.), переход на "групповую технологию" изготовления приборов на кремнии (1959 г.) и создание МОП - транзистора (1959 г.) - вот те предварительные вехи, которые определили будущее развитие кремниевой микроэлектроники.

В основе ее лежало уменьшение размеров приборов, увеличение числа приборов на чипе-кристалле, увеличение размеров чипа, повышение быстродействия и функциональных возможностей. Именно масштабирование (скейлинг) - уменьшение размеров приборов вывело вперед МОП, а затем КМОП ИС, которые на начальной стадии развития уступали по быстродействию биполярным ИС. И как всегда, одной из главных движущих сил развития была экономика, которая заставляла увеличивать размеры кремниевых пластин с целью увеличения числа изготавливаемых ИС и уменьшения их себестоимости, следовательно, и цены.

3) скорость переключения транзистора ~ 10²⁰ раз в сек. Это означает, что если человек будет включать и выключать обычный выключатель столько раз, то ему понадобится 25000 лет. Себестоимость производства транзистора сопоставима с затратами печатания одного типографского знака. Это обусловлено тем, что в технологическом процессе одновременно на одной пластине обрабатывается до 5 тыс. чипов, каждый из которых содержат миллионы транзисторов.

Создание БТ (1947 г.), получение патента на маскирующие свойства SiO₂ (1956 г.), создание первой ИС на германии (1958 г.), переход на "групповую технологию" изготовления приборов на кремнии (1959 г.) и создание МОП - транзистора (1959 г.) - вот те предварительные вехи, которые определили будущее развитие кремниевой микроэлектроники.

В основе ее лежало уменьшение размеров приборов, увеличение числа приборов на чипе-кристалле, увеличение размеров чипа, повышение быстродействия и функциональных возможностей. Именно масштабирование (скейлинг) - уменьшение размеров приборов вывело вперед МОП, а затем КМОП ИС, которые на начальной стадии развития уступали по быстродействию биполярным ИС. И как всегда, одной из главных движущих сил развития была экономика, которая заставляла увеличивать размеры кремниевых пластин с целью увеличения числа изготавливаемых ИС и уменьшения их себестоимости, следовательно, и цены.

Второй закон Мура гласит, что стоимость завода по производству чипов удваивается с каждым поколением чипов, т.е. каждые три года. Оба закона Мура с небольшими оговорками выполняется все это время.

Основным барометром прогресса п/п приборов и ИС остается область компьютерных технологии, основу которых в значительной мере определяет процессор и устройство памяти (кремниевая ИС, в частности, динамическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, DRAM)).

Именно, ростом объема памяти ИС и скорости передачи информации, повышением эффективности оптической связи и определяется эволюция микроэлектронных приборов. Для ИС на МДП - приборах благодаря гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями. В основе одного из подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта технология получила название КМОП - технологии, когда структура имеет планарный характер, и V - МОП технологии, когда структура транзистора имеет вертикальный характер. Другой подход связан с пропорциональной микроминютиаризацией обычного планарного МДП - транзистора и получил название высококачественный, или Н-МОП - технологии.

Согласно основным положениям модели ПМ, при уменьшении длины канала в N раз для сохранения тех же характеристик транзистора другие его параметры (толщина окисла, ширина канала, напряжение питания) необходимо уменьшить в N раз, а концентрацию легирующей примеси в подложке увеличить в N раз. Тогда величина порогового напряжения U_пор и величина проводимости канала практически не изменяются. Быстродействие, определяемое временем пролета через канал, возрастет в N раз. Ток канала уменьшится в N раз, рассеиваемая мощность уменьшиться в N² раз.

В таблице 1 приведена динамика изменения основных параметров МДП - приборов, проявляющаяся при пропорциональной микроминиатюризации.

Идеи и принципы ПМ позволяют использовать масштабирование МДП - транзисторов при разработке ИС на их основе.

Такой подход позволил фирме Intel модернизировать процессоры ПК каждые 3-4 года.

В таблице 2 приведены этапы пропорциональной микроминиатюризации процессоров Intel за последние 30 лет.

На рис.1 показана в полулогарифмическом масштабе эволюция размеров МДП - транзисторов и длины его канала. Принципы ПМ позволили вплотную приблизиться к размерам базового элемента ИС, ниже которых находится предел, обусловленный физическими ограничениями.

Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию.

Анализ показывает, что наряду с тенденцией уменьшения геометрических размеров каждого элемента в ИС проявляется тенденция к увеличению числа элементов в схеме.

Если в 1960 г. число элементов в схеме составляло десятки, то в 2000г. - 42 миллиона.

Проблемы, связанные с физическими ограничениями микроминиатюризации, требуют рассмотрения основных физических явлений, которые запрещают дальнейшее уменьшение линейных геометрических размеров транзисторов, напряжений и токов транзистора, ограничивают его быстродействие и плотность упаковки.

В таблице 3 перечислены предельно допустимые значения основных параметров и основные физические ограничения.

Минимальную длину канала (L_min) ограничивает эффект, связанный со смыканием областей истока и стока при приложении напряжения к истоку Uc. Т.к. ширина p-n-перехода, смещенного в обратном направлении (U<0) определяется формулой

мезоскопическая физика нанотехнология гетеропереход

то L_min канала должна быть > 2d, т.е. L_min >2d и прямо пропорциональна корню квадратному от напряжения и обратно пропорциональна корню квадратному от уровня легирования подложки.

Предельное быстродействие определяется временем пролета носителей через канал. При длине канала L=1мкм., скорости дрейфа, равной скорости света = 0,03нс (релятивистский предел).

Энергия необходимая для записи одного бита информации должна составлять несколько КТ средней энергии тепловых флуктуаций. В КМОП - транзисторах значение энергии записи одного бита должна быть не ниже 2 эВ, т.е. ~100 кТ при комнатной температуре или ~3*10^-19 Дж (тепловой предел).

Очевидно, что минимальное напряжение питания не может быть менее kТ/е=0,025 В из-за флуктуаций тепловой энергии.

К физическим барьерам относится и проблема межсоединений: в современных ИС лишь 10% площади занято транзисторами, а 90% - межсоединениями.

Помимо физических ограничений существуют и технологические такие как: тепловыделение, фактор "разброс параметров" и фотолитография.

Тепловыделение работающего электронного прибора не может быть сведено к нулю, т.к. тепловой баланс системы ограничивается соответствующими коэффициентами теплопроводности материалов и числом молекулярных слоев.

Разброс параметров. Если под затвором МДП - транзистора в среднем находится N~106 атомов легирующей примеси, то неопределенность числа атомов, действительно присутствующих под затвором, из-за систематического разброса в процессе легирования будет

Уменьшение размеров микросхем приводит к тому, что под затвором МДП - транзистора, например, с шириной канала 0,5 мкм и длиной 0,2 мкм в среднем будут находится 100 атомов примеси. В этом случае неопределенность числа атомов составит уже ~ 10%. Если изготовить микросхему из 106 таких транзисторов, то какая-то часть их будет иметь количество примесных атомов, столь сильно отличающееся от среднего значения, что эта микросхема будет дефектной т.е. управлять разбросом параметра при малом количестве легирующих атомов невозможно.

Размеры элементов ИМС определяются литографическими процессами. К ним относятся оптическая, рентгеновская, электронно-лучевая, ионно-лучевая литография, нанопечать и литография сканирующими зондами. Важной характеристикой любого литографического оборудования является его производительность (скорость экспонирования не менее 1 см²/с или 50 подложек/час), которая лимитирована интенсивностью источника излучения и чувствительностью резиста.

Оптическая литография с типичной скоростью экспонирования 10-100 см²/с полностью удовлетворяет требованиям массового производства. Однако по разрешающей способности она имеет существенные ограничения на минимальный размер элементов, что связано главным образом с конечной длиной волны излучения, использующегося для экспонирования резистов. Работа по увеличению разрешающей способности и соответствующему уменьшению минимальных размеров формируемых элементов идет по пути уменьшения длины волны излучения за счет, например, использования G-линии (436 нм) и I-линии (365 нм) ртути, излучения эксимерных лазеров KrD (248 нм), ArF (248 нм). F₂ (157 нм) и пр. При этом минимальный размер элементов составляет 100 нм. Его дальнейшее уменьшение до 50 нм представляется в принципе возможным, что требует, однако, существенного прогресса в технологии изготовления резистивных масок и повышения чувствительности фоторезисторов с высоким разрешением.

Рентгеновская литография, использующая излучения с длиной волны около 1 нм, позволяет довести размеры до 50-70 нм. Преимуществами рентгеновской литографии является возможность использования однослойных резистивных масок и высокая воспроизводимость результатов, а её недостатки - сложность, энергоемкость и громоздкость установки.

Электронно-лучевая литография является наиболее подходящей для производства наноструктур. Типичное разрешение составляет 30 нм с возможностью его уменьшения до 5 нм за счет использования неорганических резистов. Основным недостатком этого метода является его невысокая производительность, которая определяется плотностью электронного тока и чувствительностью резиста. Увеличение плотности тока в электронном луче приводит к расширению луча и соответствующему ухудшению разрешения.

Ионно-лучевая литография по своим технологическим принципам близка к электронно-лучевой литографии. Она применяется для экспонирования резистов толщиной до 20 нм. Установки для ионно-лучевой обработки материалов обеспечивают приемлемые скорости экспонирования. Сравнивая эффективность экспонирования резиста ионами и электронами в одном энергетическом диапазоне (50-100 кэВ), следует отметить, что ионы полностью передают свою энергию резистивному слою, тогда как электроны проходят глубже в подложку. Однако процесс последовательного экспонирования ионным лучом остается пока слишком медленным для массового производства.

Нанопечать является многообещающей технологией литографии, хотя для её использования в промышленном производстве требуется дополнительные исследования. Одним из сдерживающих факторов здесь остается сравнительно большое время обработки одной подложки, что связано с необходимостью её нагрева и охлаждения в контакте со штампом.

Литография сканирующими зондами дает наиболее высокое разрешение, обеспечивая даже возможность манипулирования отдельными атомами. Типичное же разрешение составляет 30-50 нм. Основным недостатком этой группы методов является низкая скорость экспонирования одиночным зондом. Для её увеличения следует использовать при экспонировании многозондовые устройства с независимым управлением каждым зондом.

Для обеспечения приемлемой производительности количество интегрированных в одну головку зондов должно составлять 10⁴ - 10⁶. Положение каждого зонда относительно поверхности подложки должно задаваться индивидуально. Несмотря на практические сложности, литография сканирующими зондами рассматривается как наиболее перспективное направление для организации массового производства.

В заключение раздела следует отметить, что известные нанолитографические методы обеспечивают разрешение в пределах 10-100 нм. Этого вполне достаточно для изготовления большинства наноэлектронных приборов. Однако для соответствия уровню требований промышленного производства производительность методов должна быть повышена.

Это далеко не полный перечень проблем, стоящих перед "кремниевой наноэлектроникой". Многие из них не имеют на данный момент ясного решения, но ясно одно, что проблемы экономики будут играть при их решении не последнюю роль. Примером этого является необходимость ухода от "групповой пластиночной технологии", когда техпроцесс изготовления ИС проводится на серии в несколько десятков пластин Ш200 мм в течении > месяца. Прогнозируемое увеличение размеров пластин до 450 мм к 2014 г. требует перехода на "контролируемую технологию отдельной пластины", т.к. стоимость пластины резко возрастет.

Основные тенденции развития нано - и оптоэлектроники