Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Основной характеристикой этих устройств выступает длительность отпирающего импульса затвора Lgate (называемая диной строб-импульса и соответствующая, грубо говоря, расстоянию между истоком и стоком транзистора), так как уменьшение этого параметра почти автоматически приводит к уменьшению размеров всех остальных размеров устройства по достаточно строгим правилам и закономерностям. Кроме того, с точки зрения физики процессов, уменьшение длины отпирающего импульса означает и сокращение времени переноса требуемого заряда (то есть некоторого числа электронов) от истока к стоку, что, естественно, повышает скорость переключения транзистора и быстродействия логической схемы в целом.

Сказанное объясняет, почему именно этот параметр размеров основного устройства многие авторы считают ключевым и используют для оценки качества полупроводниковых устройств. Собственно говоря, началом зарождения реальных нанотехнологий следует считать момент, когда расстояние между истоком и стоком коммерчески выпускаемых транзисторов стало меньше 100 нм и инженеры действительно начали измерять размеры производимых изделий в нанометрах. На рис. 15.2 представлены полученные на сканирующем электронном микроскопе микрофотографии стандартных полевых ΜОΠ-транзисторов, выпускаемых фирмой Intel. Сегодня фирма относит свои изделия к так называемому поколению «меньше 65 нанометров», а в лабораториях уже создаются образцы с размерами около 15 нм (разумеется, методы их изготовления и формально, и практически относятся именно к нанотехнологиям).

Рис. 15.2. Последовательное уменьшение размеров полевых МОП-транзисторов, выпускаемых и разрабатываемых фирмой Intel. Перепечатывается с разрешения Intel Corporation; © Intel Corporation

Основная и исключительно важная проблема (как с научной, так и с производстввенной точки зрения) заключается в том, что в изделиях с такими характерными размерами начинают проявляться совершенно новые, квантово-механические особенности и эффекты, приводящие к серьезнейшим изменениям свойств самого вещества. Прежде всего, отметим, что канал транзистора длиной около 15 нм состоит всего из нескольких атомов кремния, вследствие чего понятно, что дальнейшее уменьшение размеров такой структуры невозможно. Это означает, что используемая сейчас полупроводниковая технология достигла физических пределов применимости закона Мура, то есть дальнейшая миниатюризация полевых МОП-транзисторов невозможна.

Реальная ситуация для организаторов производства выглядит достаточно сложной. В частности, уже при размерах устройств около 25 нм, как предсказывали еще авторы документа, известного под названием «Международного путеводителя по полупроводниковым технологиям» (International Technology Roadmap of Semiconductors, ITRS [100] ), длина затвора или толщина слоя диоксида кремния, отделяющая металл от затвора, должна составлять около 1 нм. Длина затвора определяется физическими требованиями возможности контроля сигнала и т. д., но проблема заключается в том, что при этой толщине (составляющей, как отмечалось чуть выше, несколько атомных размеров) чистота материала диэлектрика должна быть исключительно высокой. На расстояниях около 1 нм любые утечки становятся неприемлемыми, как из-за нарушений точности работы самого устройства, так и надежности его работы. Другими словами, производственники должны применять новые диэлектрические материалы с гораздо более высокими показателями.

Следующим фактором, препятствующим дальнейшему уменьшению размеров устройств в соответствии с законом Мура, выступает тот простой факт, что если размеры используемых устройств действительно сводятся лишь к нескольким атомам, то требования к чистоте исходных материалов становятся исключительно высокими. Например, каждый специалист в полупроводниковой технике прекрасно знает о процессах допирования (легирования), когда в кристалл кремния или другого материала случайным образом вводится ничтожное количество атомов другого вещества, изменяющих вольт-амперные характеристики вещества. В достаточно крупных устройствах влияние таких атомов усредняется и создает требуемые значения параметров, однако понятно, что в очень небольших структурах, содержащих лишь несколько атомов, любой «неправильно» помещенный атом примеси может нарушить весь механизм работы полупроводниковой системы. Другими словами, переход к нанотехнологическим, атомарным структурам требует применения материалов с исключительно высокой, атомарной чистотой.

Столь же высокие требования нанотехнологии предъявляют и к точности любых побочных методик (в частности, к точности изготовления соединений, формируемых разнообразными литографическими приемами). Мы вновь сталкиваемся с проблемой случайных флуктуаций или разброса параметров изготовляемых устройств, так как при переходе к атомарным структурам такие флуктуации могут выходить за рамки технологических требований. Ситуация осложняется и тем, что позднее такие устройства должны объединяться в более крупные системы, и тогда проектировщик сталкивается с очень непростой задачей «стойкости» системы в целом к случайным сбоям отдельных элементов.

При переходе к наномасштабам (как в случае описанного сокращения длины затвора) инженеры и технологи вынуждены одновременно решать противоречивые задачи сохранения качества и функциональности материалов, что ставит перед ними сложнейшие производственные проблемы. В частности, в полупроводниковой технике инженерам приходится все чаще уходить от привычной, ставшей классической планарной компоновки устройств и создавать необычные, «объемные» полевые МОП-транзисторы. При этом они не только меняют схемы устройств, но и начинают применять новые, необычные для полупроводниковой техники материалы (кремниевые структуры с предварительными механическими напряжениями, сплавы кремния и германия или даже полупроводниковые соединения, которые раньше были лишь предметом лабораторных исследований). Другими словами, инженерам приходится искать альтернативы кремниевым кристаллам и структурам, которые использовались десятилетиями.

Как упоминалось чуть выше, одним из решений проблемы сокращения длины затвора является использование не планарных, а объемных, трехмерных полупроводниковых структур, которые в результате приобретают все более необычные и непривычные для технологов формы. Например, достаточно давно применяются технологии с так называемым утопленным оксидным слоем (buried layer), изолирующим полупроводниковое устройство от кремниевой подложки, двойными затворами или «окутывающими» затворами, окружающими канал сверху и со сторон. Сами каналы при таких технологиях все чаще приобретают вид нанопроволочных соединений. В качестве типичного примера на рис. 15.3 показана структура одного из самых современных устройств такого типа, полевого транзистора FinFET, в названии которого Fin относится к сложной форме затвора (fin-shaped gate). Структура является трехмерной, а канал в ней напоминает одномерную нанопроволоку сверхминиатюрных размеров. Такая одномерная структура канала может оказаться очень важной при выработке будущих технологий, поскольку канал построен на основе самосборки одномерных проводников (речь в данном случае идет об углеродных трубках).

Рис. 15.3. Полупроводниковое устройство с неклассической структурой. Слева представлена схема полевого транзистора FinFET, а справа – полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография общего строения этого устройства. На снимке отчетливо заметны возможные отводы и места присоединения. Перепечатывается с разрешения Intel Corporation; © Intel Corporation

Помимо проблем с материалами и их обработкой, существуют и более серьезные ограничения на сокращение размеров полупроводниковых устройств, связанные с фундаментальными законами природы, то есть с тем, что на этих расстояниях начинают проявляться квантовые закономерности строения вещества. Например, известно, что на столь малых расстояниях носители заряда – электроны ведут себя подобно волнам и описываются соответствующими уравнениями. При этом возникают новые физические эффекты, такие как квантование (дискретизация) некоторых параметров движения, интерференция волн, туннелирование частиц через энергетические барьеры и т. д. Наличие таких явлений, с одной стороны, нарушает нормальную работу полупроводниковых устройств, но с другой – позволяет создавать при малых размерах устройства совершенно нового типа.

Еще оно важное ограничение связано с дискретностью электрического заряда. Очень небольшие по размеру структуры не могут рассматриваться в качестве некоторой непрерывной электропроводящей среды. При очень малой силе передаваемых зарядов возникают так называемые эффекты дискретности заряда, в результате чего даже отдельный электрон, проникающий по какому-то механизму (например, вследствие туннелирования) из одной области проводника в другую, может приводить к значительному колебанию (флуктуациям) напряжения. Физический механизм такой сверхчувствительности легко объясняется тем, что электрическая емкость С любой системы (определяемая, вообще говоря, через коэффициент пропорциональности между зарядом и напряжением посредством формулы ΔQ = C ΔV) связана с геометрией и меняется скачками при переходе к очень малым размерам. Поэтому при достаточно малых значениях С (~10–17 Ф и меньше) изменение напряжения заряда ΔV, связанное с перемещением одного-единственного электрона (ΔQ = 1,6 х 10–19 Кл), может оказаться больше, чем так называемое термонапряжение полупроводника, составляющее при комнатной температуре 25 мкВ.