Достижения в микроэлектроники – От Микроразмерных к Наноразмерным Устройствам

Ян Ван дер Спигэл

Департамент электротехники и системотехники

Университет Пенсильвании

Филадельфия, Пенсильвания

9.1. Введение

Микроэлектронные устройства быстро развиваются с точки зрения размера, стоимости и производительности. Пропорциональная миниатюризация габаритов устройства является двигателем полупроводниковой промышленности ¹, позволяющим производителям последовательно выпускать поколения интегральных схем все меньших размеров и увеличивать плотность размещения транзисторов. Эта тенденция привела к характерным размерам порядка нанометра. На сегодняшний день физические длины затворов транзисторов, используемых в высокопроизводительных интегральных схемах, составляют около 50 нм, а к 2010 году и 2016 году уменьшатся до 18 и 9 нм соответственно, согласно прогнозам, сделанным в 2003 году в Международной Технологической Дорожной Карте Полупроводников (ITRS).² Прототипы транзисторов с длиной затвора около 15 нм уже изготавливаются в научно-исследовательских лабораториях по всему миру.^3,4 Очевидно, что микроэлектронная промышленность вступила в эпоху нанотехнологий и теперь производит миллионы наноразмерных транзисторов феноменально малого масштаба.

Полупроводниковая промышленность дала начало одному из самых сложных производственных процессов, известных человечеству. Основными факторами повышения производительности являлись пропорциональная миниатюризация (масштабирование) транзисторов, увеличение скорости переключения устройства, и снижение стоимости функции. Чтобы оценить эту величину, необходимо отметить, что количество транзисторов, изготовленных лишь в DRAM в 2002 году, превышает количество произведённых за год зерен риса. Кроме того, за одно такое зерно риса можно купить 100 транзисторов.⁵

Микроэлектронные устройства будут играть ключевую роль в будущем наноэлектроники. Традиционные микроэлектронные устройства (транзисторы CMOS) переходят в наноразмерный режим и приводят к появлению очень недорогих, но чрезвычайно мощных схем и систем. Любая новая (нано) технология вынуждена будет считаться с этой мощной силой, чтобы стать её жизнеспособной альтернативой. Кроме того, схемы CMOS и микроэлектронные технологии будут использоваться в качестве основы, на которой будут строиться наноэлектронные структуры. Не является невозможным факт того, что гибрид микроэлектронных устройств/технологий и нанотехнологий даст начало мощным структурам и системам. Некоторые новые наноустройства, такие как, например, транзистор на углеродных нанотрубках, имеют ту же структуру, что и традиционные CMOS-транзисторы. Понимание функционирования и ограничений CMOS-транзисторов важно для того, чтобы понимать структуру этих новых устройств.

Целью этой главы является рассмотрение основных принципов микроэлектронных устройств (CMOS). Мы обсудим структуру и функционирование CMOS-транзисторов, понятия масштабирования и его ограничений. Будут рассмотрены проблемы, связанные с наноразмерными CMOS-транзисторами. Наконец, мы рассмотрим неклассические наноразмерные CMOS-устройства и структуры.