CC BY
113
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.382
Н. И. АЛЕКСЕЕВА
Омский государственный технический университет
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
В статье приводится анализ современного состояния и перспектив развития полупроводниковой наноэлектроники на примере ведущих фирм мира по производству микропроцессоров.
Ключевые слова: наноэлектроника, микропроцессор, транзистор, чип. микросхема.
Одним из перспективных и быстро развивающихся направлений наноэлектроники является индустрия полупроводниковых интегральных микросхем, широко применяющихся в современной электронной аппаратуре. Наноэлектроника на транзисторных структурах достигла к настоящему времени небывалых фантастических успехов |1]:
— современные микропроцессоры производства корпорации 1п1е1 содержат миллиард транзисторов на одном чипе;
— за время существования компании 1п1е1 (с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что в настоящее время сопоставима с це-ной печатания типографского знака;
— современные транзисторы производства корпорации 1п1е1 открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.
Всем, у кого имеются компьютеры, известно, что на рынке микропроцессоров существует две ведущие
компании — это Intel и AMD, причём большая часть рынка принадлежит Intel. Это обусловлено тем, что первую архитектуру микропроцессора предложила именно Intel, и в дальнейшем после внедрения ей в производство AMD разработала личный чип на основе этой архитектуры.
В ведущих по производству микропроцессоров фирмах мира (Intel и AMD) в 2005 году началось производство чипов микропроцессоров но технологии 65 нанометров, в 2007-м был осуществлён переход на 45-нанометровый процесс, 2009-й стал годом внедрения 32 - нанометровой технологии, а в 2011 году ожидается переход к 22 - манометровому процессу.
Первая ишегральная микросхема, создателями которой были отцы микроэлектроники, Джек Килби и Роберт Нойс, заработала в 1958 году в компании Texas Instruments. Самая сложная микросхема в 1965 году компании Fairchild содержала всего лишь 64 транзистора.
Выступая в 1975 году на конференции International Devices Meeting, Гордон Мур. почётный председатель
Рис. 1. Интегральный полевой транзистор с МОП -структурой с поликремниевым затвором.
I—область истока, 2—область канала, 3—поликремниевмй затвор, 4—подзатворный диэлектрик. 5—область стока, в—кристалл кремнии с проводимостью р-тина,
7—диэлектрик дія изоляции выводов истока-И, стока-С, затвора 3, 8—диэлектрик для изоляции поликремнневого затвора
совета директоров компании 1п1е1 и один из её основателей, отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах удваивалось каждый год. Однако в будущем, когда сложность чипов возрастет, удвоение числа транзисторов (и соответствующее уменьшение их размеров) в микросхемах будет происходи ть медленнее - каждые два года. Закон Мура продолжает в этом виде (т.е. удвоение элементов ИМС за два года) действовать и поныне, о чём свидетельствуют приведённые выше данные.
Основная транзисторная структура, которая перешла из микроэлектроники в наноэлектронику и широко применяется в настоящее время ведущими фир* мами мира при производстве микропроцессоров, является полевой нанотранзистор со структурой металл-диэлектрик — полупроводник (МДП-транзис-тор). При этом в качестве полупроводника используется кремний; в качестве подзатворного диэлектрика
— оксид кремния (БЮ,). Если в качестве подзатвор-ного диэлектрика используется оксид, то структура называется металл—окисел — полупроводник (МОП-транзистор) (рис. 1). Затвор транзистора выполнен из поликристаллического кремния. Этот затвор является самосовмещающимся, поскольку его внешние границы по ширине совмещаются с внутренними границами областей истока и стока. Применение эго-го затвора взамен алюминиевого в своё время позволило существенно сократить горизонтальные размеры транзисторов, улучшить их параметры и параметры микропроцессоров: уменьшить паразитные ёмкости в транзисторных структурах, повысить за счёт этого быстродействие последних, понизить пороговое напряжение транзисторов и, соответственно, уменьшить потребляемую мощность микропроцессоров, увеличить степень интеграции транзисторов и увеличить быстродействие микропроцессоров.
Принцип действия этих транзисторов основан на использовании эффектов дрейфа носителей заряда поддействием продольного электрического поля, создаваемого между истоком и стоком, и модуляции этого дрейфового тока поперечным электрическим полем, создаваемым между затвором и кристаллом (р-Б1) за счёт приложения электрического потенциала к затвору, например, входного сигнала.
Минимизация геометрических размеров нано* транзисгоров позволяет значительно улучшить параметры микропроцессоров. Так, уменьшение длин каналов и затворов транзисторов позволяет существенно увеличить быстродействие микропроцессоров, снизить потребление энергии.
Кроме этого, выпуск микропроцессоров с малыми размерами нанотранзисторов позволяет значительно повысить степень интеграции элемен тов на чипе, при этом производство таких чипов обходится про-
Рис. 2.
а—подзатворный окисел на основе плбнки диоксида кремния БЮ,, толщиной 1,2 нм; б— поды шорный окисел на основе оксида гафння(НІдЬ-К), толщиной 3,0 нм
нзводителям значительно дешевле, чем чипы с более крупными элементами. Это одно из главных конкурентных условий преимуществ на рынке.
Однако уменьшение геометрических размеров нанотранзисторов связано с необходимостью решения ряда существенных проблем. Одной из непреодолимых считалась! 1е возможность дальнейшего уменьшения толщины подзатворного диэлектрика (рис. 1), что необходимо для сохранения ёмкости затвор-полупроводник. Уже при 65-нм технологии толщина подзатворного диэлектрика составляет 1,2 нм (5 молекулярных слоёв), и дальнейшее её уменьшение неизбежно приводит к катастрофическому росту токов утечки через диэлектрик. Транзистор оказывается как бы постоянно работающим в цепи, даже в отключенном состоянии. Сотрудники 1п1е1 решили эту проблему. Они заменили традиционно при-меяемый материал подзатворного диэлектрика, диоксид кремния, на вновь разработанный со значительно большей величиной диэлектрической проницаемости (ЫдИ-к) — оксид гафния, что позволило сохранить требуемую ёмкость при приемлемых толщинах подзатворного диэлектрика (рис. 2),
Это явилось настолько существенным технологическим достижением, что Гордон Мур написал, что «реализация ЫдИ-к означает наиболее революционное изменение в технологии изготовления транзисторов со времени изобретения МОБ-транзис-торов с поликремпиевыми затворами в конце 60-х годов» (1).
Предполагается, что корпорация 1п1е1 вплоть до 2020 г. сможет создавать транзисторы по современной схеме работы — с двумя электродами и затвором между ними, т.е. МОП-транзисторы. Однако к тому времени размеры всех элементов транзисторов достигнут атомарных и уменьшать их дальше будет невозможно. В связи с этим уже сейчас необходимо искать новые решения.
Алмаз в настоящее время рассматривается как идеальный материал для создания следующих поколений наноразмерных электронных компонентов благодаря совершенно уникальным свойствам. У традиционных материалов - кремния, арсенида галлия
— есть свои достоинства и недостатки, в то время как алмаз практически универсален.
Длина затвора алмазного транзистора (рис. 3), изготовленного группой учёных из Университета
Риг. 3. Полевой нанотранзистор на кристалле алмаза
Глазго (University of Glasgow), Шотландия, составляет всего50 нм, что в 2 раза меньше, чем размеры предыдущего «рекордсмена мира» производства японской фирмы NTT (2].
В корпорации Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только через 10—15 лет. В числе них идея использовать углеродные нанотрубки и кремниевые нанопровода, в которых можно достичь более высокой скорости передвижения электронов. Диаметр углеродных нанотрубок составляет 1 —2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволит повысить быстродействие микропроцессоров и уменьшить потребляемую мощность.
Одной из идей дальнейшего развития является изготовление чинов больших размеров, наращивая их площадь или строя трёхмерные многослойные схемы. Как пойдёт дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.
Нанотрубки могут также найти применение в технологии КМОП (комплементарных металл-оксидных полупроводников) при изготовлении цифровой логики возможно не столько для ускорения процесса миниатюризации, но для повышения производительности устройств и упрощения их изготовления.
Углеродные нанотрубки, как показывают исследования финских учёных из Технологического университета в Хельсинки, могут быть использованы в качестве устройств хранения информации с резким улучшением скоростных характеристик, которые теперь могут соперничать с флэш-памятью. Главным достоинством ячеек памяти на основе нанотрубок оставалась лишь рекордная компактность. Теперь же пришло время радикального улучшения скоростных характеристик устройств. Сотрудники Технологического Университета и их коллеги Университета Jyvaskyia, разработали память, скорость которой увеличена сразу в сто тысяч раз. Такой «апгрейд» позволил устройствам на основе углеродных нанотрубок опередить в плане скорости флэш-память, причём не в разы, а на два порядка.
Главное достижение финских учёных — применение в качестве диэлектрика оксида гафния, который используется для изоляции затвора. Благодаря такому нововведению удалось снизить время чтения-записи информации до сотни наносекунд. Предыдущим достижением для «углеродной памяти» являлось значение в несколько миллисекунд, а аналогичный параметр для флэш-памяти составляет мик-
росекунды. Более того, указанные значения могут I оказаться не окончательными. Пока неясно-достигнут ли предел скорости записи - чтения информации ячейкой памяти, либо просто измерительное оборудование не способно фиксировать более скоростные процессы.
Конструкция ячейки памяти в данном случае выглядит следующим образом: нанотрубка «лежит» в горизонтальном положении, на её концах имеются электроды. Непосредственно на ней, отделённый тонким слоем изолятора, располагается затвор, который и управляет процессом чтения - записи информации. Такая структура уже длительное время применяется для создания памяти на основе углеродных наиотрубок, лишь скоростные параметры устройств оказывались не на уровне. Благодаря применению оксида гафния в качестве изолятора удалось устранить этот недостаток (3).
Достижением российской электроники в настоящее время являются процессоры, выпускаемые по технологии 130 нанометров. В 2011году компании «Ситроникс» и «Ангстрем» с помощью «Роснано» должны запустит!» 90-нанометровое производство. «Российская микроэлектроника отстаёт от мировой на протяжении нескольких десятков лет. В девяностые годы, когда в неё хлынули более современные по всем параметрам персональные компьютеры, электронная отрасль оказалась в загоне. Неудивительно, что теперь возрождение электроники стало одной из стратегических задач государства наряду с возрождением других наукоёмких отраслей.
Несмотря на то, что рынок персональных компьютеров для российских производителей чипов практически потерян, остались другие, на которых отечественные микросхемы могут найти место. Это, например, выпуск чипов для 51М-карт, бесконтактных карг и тому подобных сравнительно простых ИМ С. Кроме того, отечественная электроника востребована военными по соображениям национальной безопасности и производителями ГЛОНАСС - навигаторов — из соображений протекционизма (4).
Библиографический список
1. Сайт о нанотехнологиях в России. — иЯЬ : ЬНр^Лтт/ nanonchwsncl.ru/articlcs/2009/zakon * тига-какнп-ршст-...
2. Сайт о нанотехнологиях в России. — иШ.: 1»ир:/Л*плг\*/ nanonehwsnet.ru/news/2009/lzgotovlen-samyi-maleukii-v-miru-а1тагпуЫ
3. Сайт о нанотехнологиях в России. — иКЬ : Иирг/Лотууг/ nanonehwsnet.ru/news/2009/pamyat-na-osnove-nanotrubok-окаамУаз-Ьуви-
4 Сайт о нанотехнологиях в России. — иШ.: http://www/ nanonehwsnet.ru/news/2009/uchenyo- ьогс1аИ - уесЬпиуи-...
5. Сайт о нанотехнологиях в России. — иКЬ: http://www/ nanonehwsnet.ru/articles/2009/taina-rossiiskikh-mikropro...
АЛЕКСЕЕВА Наталья Ильинична, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья посту пила в редакцию 12.03.2010 г.
<& Н. И. Алексеева
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТМИК Ш а <*0> ЗОЮ РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
