Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 23
Текст из файла (страница 23)
рис. 6.4).Аналогичные возможности открывает электронно%лу%чевая литография и литография с использованием пото%ков ускоренных ионов. В электронно%лучевой и ионнойлитографии практически нет дифракционного предела, таккак длина волны де Бройля для электронов и ионов, дви%жущихся с достаточно большими скоростями в пучках час%тиц, падающих на образец, при литографии много меньшедеталей шаблона. Напомним, что длина волны де Бройля(микрочастицы) уменьшается с увеличением скорости имассы используемых частиц (см. формулу (4.4)).Рассмотренные виды литографии используются и со%вершенствуются в наноэлектронике.
Вопросы использо%вания различных методов литографии с наноразрешени%ем излагаются в следующем параграфе и последующихглавах (см. п. 8.3).6.8.О ПРЕЕМСТВЕННОСТИ ЭТАПОВРАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИЗа предыдущие сто лет сменили друг друга три поколе%ния электроники, зародилась и успешно развивается нано%электроника (см. п. 4.2). Каждое новое поколение электро%ники всегда рождалось в муках неразрешимых проблем,Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ129возникавших в процессе развития предыдущего этапа элек&троники.
Те особенности предыдущего поколения электро&ники, которые приводили к указанным проблемам, отбра&сывались, использовались принципиально новые подходы.Тем не менее, каждое новое поколение электроники акку&мулирует все прежние научные и инженерные находки,способствующие ее дальнейшему развитию. В технике неразрушают старое «до основания».
Новое строят не на раз&валинах старого, а гармонично сочетают революционныеизменения с эволюционным развитием. Переход от старо&го к новому характеризуется глубокой преемственностьюне только в деталях. Например, все виды электроники —ламповая, полупроводниковая, интегральная — используются, в конечном итоге, для переработки информации.В этом смысле все поколения электроники характеризуются абсолютной преемственностью.
Изменяются объе&мы, надежность, помехозащищенность, скорость и методыпереработки информации, но сам факт ее переработки ос&тается общей и неизменной целью любой электроники. Таже цель стоит и перед наноэлектроникой.Далее, все поколения электроники черпали идеи изоткрытий естественных наук (в основном физики) иопирались на строгие математические теории. Эта базасохраняется и в наноэлектронике.Вспомним теперь, что наноэлектроника родилась в не&котором смысле из принципиальных ограничений, возник&ших на пути микроминиатюризации элементов ИМС. Тео&ретически было ясно давно, а экспериментальные исследо&вания последних лет подтвердили, что характер процессов,происходящих в элементах, соизмеримых с длиной волныде Бройля, принципиально изменяется.
Они перестают ра&ботать как «классические» полупроводниковые приборы.Возникают так называемые размерные эффекты. Эти эф&фекты устанавливают абсолютный (физический) пределтрадиционному пути развития электроники. Однако эти жеэффекты открывают широкую перспективу развития на&ноэлектроники на новых принципах, что подробно рассмат&ривается в главе 7. Таким образом, развитие микроэлектроники создало основу для наноэлектроники и привело к130НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 6.2Упрощенная схемаполевого транзистора с индуцированнымканалом nтипа(слой подзатворногодиэлектриказаштрихован)ускорению исследований электронных свойств наноразмерных объектов. Налицо прямая преемственность между нано и микроэлектроникой.Рассматриваемая преемственность имеет место и в частных случаях.
Рассмотрим их на примере развития технологии формирования быстродействующих полевых транзисторов в составе ИМС. Простейшая структурная схемаполевого транзистора с индуцированным каналом изображена на рис. 6.2. Транзистор этого типа функционируетблагодаря возникновению индуцированного проводящегоканала (инверсионный nслой) под действием электрического поля, создаваемого управляющим потенциалом назатворе. Быстродействие таких транзисторов повышается,в частности, с уменьшением длины канала транзистора L итолщины подзатворного слоя диэлектрика h.
Уменьшениедлины канала достигается использованием при литографии излучения со все меньшей длиной волны (см. п. 6.7).Минимальная величина L, а следовательно и максимальное быстродействие транзистора зависят от его размера d. Размер транзистора в плане (топологический размер) определяется возможностями литографии. Параметр,характеризующий этот размер, называется минимальнойтопологической (или проектной) нормой технологического процесса. Например, при проектной норме d = 0,13 мкмтакой размер имеет полевой транзистор, а длина канала Lможет быть уменьшена до 0,07 мкм (70 нм).Чем меньше проектная норма, тем больше транзисторов может разместиться на чипе.
На основе статистической обработки данных об увеличении числа транзисторов на чипе в период с 1959 по 1965 г. Мур1 установил, что1 Гордон Мур — один из основателей корпорации Intel; в настоящеевремя — председатель совета директоров этой корпорации.131Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ«число транзисторов на полупроводниковом кристалле удваивается примерно каждыедва года» (закон Мура). Следует помнить, что закон Муране имеет естественнонаучнойосновы, а лишь фиксирует развитие технологии изготовления ИМС в прошлом. Поэтомуон не может служить опоройдля обоснованного прогнозатемпов этого развития в будущем. Указанные темпы дляразных транзисторов в составе различных ИМС, изготавливаемых по неодинаковойтехнологии, заметно различаются.
Это видно из рис. 6.3.На рис. 6.4 показано, каксо временем изменялась топологическая (проектная) нормадля элементов ИМС. На рисунке видно, что за период с 1960по 2003 гг. размер элементауменьшился более чем в 100раз. После 1990 г. микроэлектроника преодолела микронный рубеж, а после 2000 г.элементы ИМС приобрели наномасштабы.На нижней части прямойна рис. 6.4 кружками отмечены значения d, прогнозируемые специалистами корпорации Intel для массовогоРис.
6.3Изменение по годам числа (N)полевых (p, n) и биполярных(o, r) транзисторов в ИМСпамяти (p,r) и логики(n, o) (верхняя группа точекотносится к вариациямпроцессоров Intel Pentium)Рис. 6.4Уменьшение по годам проектной нормы элемента ИМС:пунктирное продолжение прямой — прогноз до 2011 г.; горизонтальныелинии слева — длины волн излучения, используемого для литографии.132НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьпроизводства ИМС: в 2007 г. d = 45 нм, в 2009 г. — 32 нм ив 2011 г.
— 22 нм. При указанных значениях d длина кана(ла полевого транзистора L может иметь значения, равныепримерно 20, 15 и 10 нм соответственно (см. звездочки нарис. 6.4). Таким образом, в ближайшие годы классическаямикроэлектроника обеспечит производство ИМС на осно(ве схемных элементов, топологические размеры которыхприближаются к середине нанообласти (заштрихованнаяобласть на рис. 6.4).Следует отметить, что минимальные структурные раз(меры элементов ИМС уже давно преодолели верхнюю гра(ницу нанообласти и в настоящее время приближаются кее нижней границе (рис. 6.5). Толщина h подзатворногодиэлектрического слоя составляет 1,4 нм (или 6 атомныхслоев) у полевых транзисторов процессоров компанииАМD; h = 1,2 нм в процессорах компании Intel.
При раз(ности потенциалов на таком слое в 1 В напряженностьполя в нем составляет не менее 107 В/см, что выше про(бивного напряжения большинства диэлектриков. Даль(нейшее уменьшение h в полевых транзисторах, функцио(нирующих по «классическому» механизму, вряд ли воз(можно.Преемственность нано( и микроэлектроники основы(вается не только на применении процесса литографии, нои на использовании в технологии ИМС способов созданияобъектов по принципу «снизу вверх» и «сверху вниз», атакже процессов самоорганизации, как, например, в ужеупомянутой эпитаксии (см. п. 6.5).Однако микроэлектроника стимулировала самые су(щественные разработки в области наноэлектроники нестолько своими успехами, сколько трудностями, возни(Рис.
6.5Уменьшение по годамтолщины подзатворного диэлектрикаполевого транзистораЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ133кающими при уменьшении микроэлектронных элементови приближении к физическому пределу миниатюризацииполупроводниковых ИМС. Для преодоления этих трудно/стей потребовались глубокие физические исследованияэлектронных, оптических и магнитных свойств нанораз/мерных объектов, а также процессов, с помощью которыхможно создавать эти объекты.
Обзор достижений, полу/ченных на этом пути, дан в следующем параграфе.Наконец, отметим, что наноэлектроника переживаетв настоящее время такую же «болезнь роста», какую мик/роэлектроника переживала в период с 1958 по 1970 гг. Этотпериод характеризовался жесткой конкурентной борьбоймежду разными потенциально перспективными направле/ниями развития интегральной электроники. К ним отно/сятся: пленочная, твердотельная, ионная, полупроводни/ковая, диэлектрическая, магнитная, сегнетоэлектриче/ская, акустическая, оптическая и другие направленияэлектроники.
В результате конкурентной борьбы были, во/первых, найдены эффективные компромиссные решения,во/вторых, наиболее перспективные отрасли электроникинашли свои области применения. Компромиссом стало,например, объединение пленочной и твердотельной элек/троники. Теперь доминируют так называемые совмещен/ные ИМС.
В этих ИМС некоторые элементы (в основномпассивные и соединительные) изготавливаются в пленоч/ном исполнении, а другие (активные) — в твердотельном.Опыт показал, что конкурентную борьбу выдерживает таэлектроника, которая допускает создание высокоэффек/тивных массовых технологий, обеспеченных ресурсами.Например, в микроэлектронике — это интегральная твер/дотельная кремниевая электроника. Она может обеспе/чить любые масштабы производства, так как кремний со/ставляет около 30% земной коры.Аналогичным образом в настоящее время в наноэлек/тронике разрабатываются несколько потенциально пер/спективных направлений развития — одноэлектроника,молекулярная электроника и другие (см.
главу 7); иссле/дуются прототипы электронных устройств в рамках ка/ждого из направлений. Наверняка и в нанотехнологиях134НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьпроизойдет отбор ограниченного числа наиболее эффек#тивных вариантов. В процессе этого отбора, несомненно,будет учтен опыт развития микроэлектроники.В процессе развития микроэлектроники возникла истала весьма серьезной так называемая «тирания межсо#единений» (см.
п. 4.2). В наноэлектронике проблема меж#соединений возникла уже на первых этапах становленияэтого направления электроники.Существенно, что при развитии микроэлектроникипоявилась потребность в глубокой интеграции знаний раз#личных направлений фундаментальных наук и техники.В наноэлектронике эта потребность не только сохраняет#ся, но и усиливается. Органическая взаимосвязь микро# инаноэлектроники заложена в ГОСах по микроэлектрон#ным специальностям, в которых предусматриваются со#ответствующие учебные курсы, например «Процессы мик#ро# и наноэлектроники».6.9.КРАТКИЙ ОБЗОРНОВОЙ НАУЧНОЙ БАЗЫНАНОЭЛЕКТРОНИКИКлассическая микроэлектроника осваивала нанооб#ласть в основном «геометрически». Принципы функцио#нирования элементов ИМС при этом оставались неиз#менными. В современной наноэлектронике эти принци#пы существенно модифицированы. Используются иныефизические процессы, лежащие в основе функциониро#вания электронных устройств, способы их получения, ме#тодика исследований.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
