lection 14 (Презентации лекций), страница 2

В микроэлектронике«нормальным» считается k ~ 3,9 (SiO2).Материалы с k > 3,9 относятся к классу«high-k», а c k < 3,9 - к «low-k»Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМ«High-k» диэлектрикиТолщина подзатворного изолятора вSiO2-эквиваленте и относительнаяутечка токаЗа счет использования слоя оксинитридакремния-гафния (HfSiON, k = 20-40)толщиной 3 нм в технологическомпроцессе 45-нм удалось уменьшить утечкитока в 20-1000 раз. Для получения такойже скорости работы старый затворпришлось бы делать толщиной 1 нм, чтобыло бы катастрофой из-за токов утечки.Приводимые толщины подзатворныхизоляторов менее 1 нм являются SiO2эквивалентами и применяются только длярасчета частоты, но не утечекФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМ«High-k» диэлектрикиГафниевый изолятор не совместим споликремниевым затвором, так что пришлосьменять и его - на металлический. Однако новыйзатвор не алюминиевый, как это было в 60-х, асплав двух металлов. Его сопротивление ниже, чтоускоряет переключение транзистора. Долгое времясоставы сплавов для p- и n-канальныхтранзисторов держались Intel в строгом секрете.Однако в 2008 г.

инженеры IBM разработали своюверсию этой технологии, которая теперьиспользуется на заводах Global Foundries (ранеепринадлежали AMD)Реализация металлическогозатвора (Intel)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМ90-нм, 65-нм, 45-нм и 32-нм техпроцессы4 поколения транзисторов Intel(слева направо, сверху вниз)90-нм (2003, впервые используетсянапряженный кремний),65-нм (2005),45-нм (2007, впервые используетсяHKMG)32-нм (2009)Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМСравнение 65-нм и 32-нм техпроцессовВ транзисторах 65-нм техпроцесса (слева) используются двунаправленныедорожки (вертикаль и горизонталь) и переменные размеры затворов и ихшагов. Для 32-нм техпроцесса (справа) все это уже невозможноФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМРезультатУстройство 45-нм p-канального транзистора (Intel)Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМ45-нм технологический процесс- сухая литография (193 нм, двойное шаблонирование) на цельной пластине Si- длина затвора - 35 нм (как в 65-нм техпроцессе), шаг затвора - 160 нм без (на27% меньше) и 200 нм с изоляторами (на 9% меньше, чем в 65-нм техпроцессе)- металлический затвор осаждается последним- спрямление углов затвора за счет использования двух видов фоторезиста- эквивалентная толщина «high-k» изолятора - 1 нм- 30% легирование Ge стока и истока для p-канальных транзисторов (увеличениеподвижности дырок и частоты на 51%)- использование только сонаправленных по всему чипу каналов- десятислойные соединения (со 2-го слоя - Cu) с изолятором из SiO2:С, включаяслой вольфрама (на истоках и стоках), служащего диффузионным барьером- четные слои металла параллельны каналам, нечетные - перпендикулярны- последний (самый толстый) слой металла - распределитель тепла по площадивсего кристалла- широкое использование «фиктивных» структур (дорожек, затворов и т.д.) длявыравнивания локальной плотности и теплопроводности- бессвинцовая пайка кристалла в корпусФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМПерспективные полупроводникиАрсенид галлия (GaAs) - полупроводник, третий помасштабам использования после Si и Ge. Запрещенная зона1.424 эВ (300 K). Применяется в сверхвысокочастотныхинтегральных схемах и транзисторах, туннельных диодах,светодиодах, лазерных диодах, фотоприемниках и т.д.Фосфид индия (InP) - прямозонный полупроводник сшириной запрещенной зоны 1.34 эВ (300 K). Используетсядля создания сверхвысокочастотных транзисторов и диодов.По высокочастотным свойствам превосходит GaAsМолибденит итранзистор на его основеМолибденит (MoS2) - мягкий свинцово-серый минерал.Полупроводник, применявшийся в радиотехнике дляизготовления детекторов.

Недавно появились сообщения осоздании транзисторов на его основе и первого чипаФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМУглеродные наноструктурыУглеродные нанотрубки - длинные цилиндрическиеструктуры (диаметр от одного до нескольких десятковнанометров, длина до нескольких сантиметров), состоящиеиз одной или нескольких свернутых в трубку гексагональныхграфитовых плоскостей и заканчивающиеся обычнополусферой, которая может рассматриваться как половинамолекулы фулеренаУглеродная нанотрубкаВ зависимости от диаметра углеродные трубки проявляютметаллические или полупроводниковые свойства.Возможные применения в микроэлектронике:диоды, транзисторы, нанопровода, наноэлектроды(катоды SED), прозрачные проводящие поверхности,оптоэлектроника и т.д.Типы нанотрубокФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМУглеродные наноструктурыФуллерены - класс молекулярных соединений, являющихсяаллотропными формами углерода и представляющих собойвыпуклые замкнутые многогранники, составленные изчетного числа трехкоординированных атомов углерода1996 - Крото, Смолли и Керлу, Нобелевская премия по химииза открытие фуллереновФуллерен С60Кристаллы фуллерена - полупроводники с ширинойзапрещенной зоны ~1.5 эВ. В микроэлектронике их главноепреимущество по сравнению с кремнием - малое времярелаксации фотоотклика (единицы нс).Наиболее перспективно использование молекул фуллеренав качестве самостоятельных наноразмерных устройствФуллерен С540Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14.

Перспективы развития ЭВМУглеродные наноструктурыГрафен - двумерная аллотропная модификация углерода,образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом.Атомы слоя упорядочены в гексагональную двумернуюкристаллическую решетку, которую представляет собой однуплоскость графита, отделенную от объемного кристалла2010 - А.К. Гейм и К.С.

Новоселов, Нобелевская премия пофизике за «передовые опыты с 2D материалом - графеном»ГрафитМаксимальная (среди известных материалов) подвижностьэлектронов делает графен одним из самых перспективныхматериалов для наноэлектроники и потенциальную заменукремния в интегральных микросхемахГрафенФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВММолекулярные кристаллыМолекулярный кристалл - кристалл, построенный измолекул.

Молекулы связаны между собой слабымиВан-дер-Ваальсовскими силами, внутри же молекулмежду атомами действует гораздо более прочнаяковалентная связьПримеры молекулярных кристалловБольшинство молекулярных кристаллов - это кристаллыорганических соединений.

К этому же классу относятся икристаллы полимеров, белков, нуклеиновых кислот.Большинство молекулярных кристаллов – диэлектрики,Однако некоторые, например, полимеры - полупроводникиФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМУстойчивые одно- и многоэлектронные состоянияПотенциальная яма - область пространства,где присутствует локальный минимумпотенциальной энергии частицы частицы.При отклонении частицы от точки,соответствующей минимуму потенциальнойэнергии возникает сила, направленная впротивоположную отклонению сторону.Потенциальная ямаЕсли частица подчиняется законам квантовоймеханики, то даже несмотря на недостатокэнергии она с определѐнной вероятностьюможет покинуть потенциальную яму (явлениетуннельного эффекта)Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМУстойчивые одно- и многоэлектронные состоянияПотенциальный барьер - областьпространства, разделяющая две другиеобласти с различными или одинаковымипотенциальными энергиями. Характеризуется«высотой» - минимальной энергиейклассической частицы, необходимой дляпреодоления барьераПотенциальный барьерЕсли частица подчиняется квантовым законам,то даже несмотря на недостаток энергии она сопределенной вероятностью можетпреодолеть потенциальный барьер (явлениетуннельного эффекта)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМПредельные размеры, энергозатраты и выделение теплаПотенциальная ямаПотенциальный барьерМинимальный размер потенциальной ямыопределяется предельной локализациейчастицы, которую можно оценить по периодукристаллической решетки. Поскольку всовременных системах на бит информацииприходится > 100 частиц, предельный размерна бит информации - 4-5 периодов решеткиМинимальная глубина потенциальной ямы(высота потенциального барьера)определяется средней энергией тепловоговозбуждения частицы (3/2 kT), которой должнобыть недостаточно для покидания ямыЭто же определяет минимальные затратыэнергии (~10-17-10-18 Дж) и выделение теплапри перезаписи одного бита информацииФизические основы современных ЭВМ.