1. Основные тенденции развития микро- и нанотехнологий в полупроводниковой электронике

1.1.Эволюция полупроводниковой электроники.

В современных информационных системах преимущественное распространение получила цифровая форма хранения и обработки информации благодаря хорошей защищенности от ошибок и помех, высоким скоростям обработки в вычислительных системах и высокой плотности передачи по каналам связи. В цифровой форме информация выражается в виде двоичного кода, задаваемого электрическим импульсом, для которого логическому состоянию "0" соответствует отсутствие электрического напряжения (или тока), а состоянию "1" - его наличие. Основным элементом для обработки информации является электронный прибор с двумя устойчивыми электрическими состояниями, соответствующими логическому 0 и 1. Первым электронным переключающим прибором был вакуумный диод, запатентованный в 1904 году англичанином Д.А. Флемингом. С тех пор развитие электроники отмечено изобретением и практическим освоением вакуумного триода (1906 год, Л. Де Форест и Р. Либен) и полупроводникового транзистора, а затем интегральных микросхем (ИС) на кремнии, положившим начало микроэлектронике. Первый транзистор был создан в 1947 г. (а в 1956 г. за его открытие Бардину, Браттейну и Шокли вручили Нобелевскую премию по физике). Первая микросхема заработала 12 сентября 1958 г. в компании Texas Instruments (за ее изобретение Нобелевскую премию по физике присудили лишь в 2000 г.). «Первооткрывателями» микросхемы считаются Джек Килби и один из основателей Intel Роберт Нойс.

На рис. 1.1 представлен ENIAC – первый цифровой ламповый компьютер Electronic Numerical Integrator and Computer, созданный в 1944 году. Это устройство содержало 18000 электронных ламп, 70000 резисторов и потреблял мощность около 160 кВт.

Рис. 1.1 ENIAC – первый цифровой ламповый компьютер (1944год).

Главной тенденцией дальнейшего развития электроники является уменьшение размеров приборных структур, повышение степени интеграции и функциональной сложности устройств на базе постоянного совершенствования технологических процессов и развития новых физических и схемотехнических подходов. Эта тенденция выразилась в так называемом «законе» Мура, который представляет собой скорее эмпирическое правило (рис. 1.2). В 1965 году один из будущих основателей корпорации Intel Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов в микросхемах будет примерно удваиваться каждые два года. Вычислительная мощность, измеряемая в миллионах команд в секунду, стабильно увеличивалась с повышением количества транзисторов. Удивительно, что прогноз, сделанный на самом начальном этапе развития микроэлектроники, достаточно хорошо оправдывается на протяжении 40 лет. Значение закона Мура кроется не в постоянстве темпов роста числа элементов, а в глубинных причинах этой тенденции и ее следствиях. В своем первоначальном прогнозе Мур указал, что удвоение числа элементов в интегральных схемах будет происходить за счет трех факторов: на 50% – за счет увеличения разрешающей способности литографии; на 25% – за счет увеличения размера кристалла благодаря улучшению производственных процессов; и на остающиеся 25% – за счет разного рода инноваций, в частности появления новых методов формирования элементов на кристалле (из которых подавляющее число составляют транзисторы). Эти три фактора являются движущими силами тенденции к увеличению числа элементов на кристалле.

Основываясь на предположении, что расходы на производство кристалла будут расти медленнее, чем число элементов, Мур указал также, что результатом роста числа элементов на кристалле станет снижение стоимости на элемент. Результирующее экспоненциальное снижение стоимости на функцию и является реальной движущей силой развития полупроводниковой индустрии и информационных технологий в целом. Темпы удвоения в законе Мура были пересмотрены однажды в прошлом, и могут измениться вновь, но пока стоимость в пересчете на функцию падает, информационная революция будет продолжаться.

В 2003 году глава технологического подразделения Intel Пэт Гелсинжер сказал: «Было время, когда Intel и ее коллеги задавались вопросом, удастся ли достичь технологического процесса в 100 нм. Мы это сделали тогда, а сегодня мы видим ясно, что нам удастся преодолеть и 10 нм рубеж. С «законом Мура» у нас всегда есть расчеты на 10-летнюю перспективу, а что мы будем делать за гранью 10 нм пока точно неизвестно. «Второй закон Мура», сформулированный в 1998 году, гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит ( проектная норма 10 мкм), составляла 4 млн. $, стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила 3 млрд. $. Основная движущая сила снижения стоимости на схему или бит памяти – повышение числа схем на квадратный миллиметр. Чтобы расходы уменьшались, стоимость обработки кремниевой подложки должна повышаться гораздо медленнее, чем плотность. Происходившее в 80-е годы быстрое (на 25% ежегодно) увеличение капитальных расходов на производственные линии привело к опасности прекращения ответного падения стоимости на схему. Однако, начиная с 1990 года, темпы повышения расходов замедлились — менее чем до 15% в год. В основном это произошло благодаря стабилизации требований к чистым производственным помещениям, повышению продуктивности оборудования и уровня утилизации отходов, а также замедлению темпов усложнения обработки. Основную долю издержек при выпуске интегральных схем составляют капитальные расходы на создание оборудования и чистых производственных помещений. Темпы повышения этих расходов должны перекрываться темпами увеличения числа элементов на кристалл.

В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за приближения минимального размера элементов ИС к физическому пределу, определяемому атомарной природой вещества и конечной скоростью распространения электромагнитного взаимодействия. С ростом тактовой частоты допустимые габариты процессора уменьшаются быстрее, чем реальные размеры. Для 10-гигагерцевого процессора время такта составит 100 пс и за 1 такт свет в диэлектрике может пройти порядка 15-20 мм, что примерно соответствует размеру кристалла ИС. Согласно фундаментальным законам физики, за определенное время информацию нельзя передать на расстояние большее, чем за то же время проходит свет.

Рис.1.2. Зависимость числа активных элементов ИС от времени, иллюстрирующая эмпирический «закон» Мура

Таким образом необходимо разрабатывать новые методы иерархической разводки, которые позволят разместить все высокочастотные части схемы на небольшой площади, и выполнять передачу информации на большие расстояния за более длинные такты. Тем не менее ограничение по размеру – серьезное препятствие на пути дальнейшего выполнения закона Мура в части роста размера кристалла.

Основные принципы микроэлектроники – групповой метод и планарная технология – были освоены при изготовлении транзисторов уже в конце 50 годов. Физико-технологической основой планарной технологии стало разработка процессов локального легирования методом диффузии и термического окисления кремния, а также исследования плотности поверхностных состояний на границе раздела Si – SiO₂.

Первые разработки ИС относятся к 1958 – 1960г. В 1961 – 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие полупроводниковые монолитные ИС. На рис. 1.3. представления одна из первых кремниевых ИС, выпущенных в 1961 году.

Рис.1.3. Первая планарная интегральная схема на кремнии (1961 год).

В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС были разработаны в 1962 – 1963г.г. в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов).

В историческом плане можно отметить пять этапов развития микроэлектроники. Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов на кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм. Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов на кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм. Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется появлением БИС со степенью интеграции более 1000 элементов на кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм. Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС (СБИС) со степенью интеграции более 10⁴ элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 – 0,2 мкм. Пятый, современный, этап характеризуется достижением минимальных размеров элементов, близких к физическим ограничениям на предельный размер (10 нм), разработкой ультрабольших ИС (УБИС) со степенью интеграции 10⁸ , отходом от классических активных элементов электроники и разработкой одноэлектронных приборов, разработкой фотонных и квантовых компьютеров, освоением новых функциональных материалов, постепенным переходом к молекулярной и биоэлектронике.

По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой - открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем. Последние и являются основным объектом исследований и разработок новой области электроники - наноэлектроники, зародившейся в 90-х годах XX века.