Ограничения кремниевой технологии

Физические ограничения. Размер волны Де-Бройля для свободного электрона в зоне проводимости 5 нм. Толщина подзатворного диэлектрика – SiO₂ не может быть менее 1нм как по технологическим причинам (это два молекулярных слоя), так и по причине туннельных токов через диэлектрик. Сейчас технологический предел оценивается в 2,0 нм. Минимальная длина затвора определяется двумя эффектами: усилением транзистора и туннельным током сток-подложка. При высокой концентрации легирующей примеси в подложке туннельный ток будет сравним с током канала. При низкой концентрации – области пространственного заряда истока и стока перекрываются, напряжение сток-исток открывает p – n-переход истока и через подложку течет ток, ограниченный пространственным зарядом (ОПЗ). Усиление транзистора при этом падает. При длине затвора 10 нм и прямом смещении изолирующего перехода исток – подложка еще можно получить усиление в МОП-транзисторе. Практический предел – 14 нм – 18 нм.

Емкость затвора минимального транзистора (10 нм10 нм) составит всего 2·10^–18 Фарад. При рабочем напряжении 0,8 В и пороговом напряжении 0,2 В в канале не может находиться более 6 электронов.

Ток в транзисторе будет меняться дискретно и статистически, т.к. заряд электрона дискретный. Высокий уровень дробовых шумов, связанных с дискретностью заряда, не позволит использовать максимальное быстродействие МОП-транзистора, определяемое емкостью затвора и крутизной ВАХ.

Статистическим распределением легирующей примеси в подложке под затвором определяется и воспроизводимость порогового напряжения. Для того же минимального транзистора в ОПЗ подложки под затвором будет в среднем 5 легирующих атомов. Разброс порогового напряжения будет сравним с напряжением питания.

С уменьшением размеров и токов приборов повышается их чувствительность к космическим частицам и продуктам радиоактивного распада в материалах конструкции БИС. Схемными и конструктивными средствами избежать сбоев нельзя.

Контактные потенциалы в структуре не масштабируются, поэтому напряжение питания нельзя уменьшить менее 0,5 В.

Скорость распространения сигналов в проводниках ограничена скоростью света. В тонких проводниках микросхем ограничение R-L-C параметрами линии связи снижает эту скорость еще в несколько раз.

Ограничения материалов. Для сверхтонких МОП структур с толщиной диэлектрика ~1 нм возможно применение только SiO₂, который обеспечивает низкую плотность поверхностных состояний на границе раздела. Для диэлектриков с толщиной 1,5 нм и более возможно применение двухслойных структур, в которых нижний слой SiO₂, а верхний Si₃N₄, Al₂O₃ или другой диэлектрик с большой диэлектрической проницаемостью. Рассматривается применение диэлектриков типа перовскитов (SrTiO₃), имеющих диэлектрическую проницаемость до 1500.

Для транзисторов с минимальными размерами (~10 нм) невозможно создать статистически однородный профиль легирования подложки, однако, уменьшить ток, ограниченный пространственным зарядом можно, используя ретроградный профиль легирования и снижение температуры до 77К (жидкий азот). Для создания контактов истока и стока потребуются новые процессы, позволяющие создавать неравновесный уровень легирования кремния выше предела растворимости.

Пропорциональное масштабирование требует уменьшения размеров не только транзисторов, но и проводников. Удельное сопротивление металла определяется длиной свободного пробега электронов, которая зависит от температуры и плотности дефектов. Дефектами служат и границы проводников. Для тонких металлических пленок сопротивление определяется только границами. В пределе все металлические пленки имеют одинаковое сопротивление, определяемое только толщиной. В пленках наблюдается еще и кристаллизация. Если толщина пленки меньше размера кристалла, то пленка рвется на островки и ее сопротивление стремится к бесконечности. Для медной пленки критическая толщина 30 нм, при которой пленка распадается на островки. Критическую толщину пленок можно уменьшить, используя сплавы (например, Cu + Zn) и многослойные структуры TaNx – (Cu + Zn) –TaNx.

Минимальные литографические размеры ограничены свойствами оптических материалов. Для самого коротковолнового лазера на F₂, имеющего длину волны излучения 157 нм используется оптика на основе CaF₂, сейчас неизвестны оптические материалы с большей шириной запрещенной зоны. Для излучения 157 нм минимальный размер рисунка – 60 – 70 нм.

При получении размеров элементов менее 60 нм с использованием электронной литографии требуются уже неорганические электронорезисты. Размеры органических молекул в резистах составляют десятки нанометров и получить размер менее одной молекулы невозможно. Чувствительность известных неорганических резистов много ниже, чем органических. Сейчас пока нет высокопроизводительного электронно-лучевого оборудования, а для его создания требуется определенное время. Поэтому, "закон Мура", вероятно, будет нарушен на рубеже 60 нм.