Заключение
За предыдущие сто лет сменили друг друга три поколения электроники, тем не менее каждое новое поколение электроники аккумулирует все прежние научные и инженерные находки, способствующие ее дальнейшему развитию. Например, все виды электроники - ламповая, полупроводниковая, интегральная - используются в конечном итоге для переработки информации. В этом смысле все поколения электроники характеризуются абсолютной преемственностью. Изменяются объемы, надежность, помехозащищенность, скорость и методы переработки информации, но сам факт ее переработки остается общей и неизменной целью любой электроники.
Далее все поколения электроники черпали идеи из открытий естественных наук (в основном физики) и опирались на строгие математические теории.
Рассматриваемая преемственность имеет место и в частных случаях. Рассмотрим их на примере развития технологии формирования быстродействующих полевых транзисторов в составе ИМС.
Характерная направленность конструкций и технологий ИМС в последнее десятилетие и в ближайшем будущем - микроминиатюризация интегральных МДП-приборов. Уменьшение размеров элементов МДП-ИМС приводит к улучшению всех их основных параметров. У разработчиков МДП-ИМС существует мнение, что уменьшение геометрических размеров приборов вызывает пропорциональное изменение всех основных параметров ИМС и процесса их производства - теория пропорциональной микроминиатюризации. Согласно этой теории, если степень микроминиатюризации (отношение площадей проектируемого и исходного приборов) равна М, то основные параметры МДП - прибора уменьшаются в М раз.
Микроминиатюризация МДП-ИМС особенно сильно сказывается на рассеиваемой мощности, пропорциональной напряжению и току питания. Уменьшение ее происходит приблизительно в М2 раз. Очень резко (в М3 раз) уменьшается основной параметр качества ИМС - произведение мощности на время задержки сигнала (Pτ).
При этом концентрация легирующих примесей в подложке должна быть увеличена в M раз.
Быстродействие повышается, в частности, с уменьшением длины канала транзистора L и толщины подзатворного слоя диэлектрика h. Уменьшение длины канала достигается использованием при литографии излучения со все меньшей длиной волны.
Минимальная величина L, а следовательно, и максимальное быстродействие транзистора зависят от его размера δ. Размер транзистора в плане (топологический размер) определяется возможностями литографии. Параметр, характеризующий этот размер, называется минимальной топологической (или проектной) нормой технологического процесса. Например, при проектной норме δ = 0,13 мкм такой размер имеет полевой транзистор, а длина канала L может быть уменьшена до 0,07 мкм (70 нм).
На рисунке показано, как со временем изменялась топологическая (проектная) норма для элементов ИМС. На рисунке видно, что за период с 1960 по 2003 гг. размер элемента уменьшился более чем в 100 раз. После 1990 г. микроэлектроника преодолела микронный рубеж, а после 2000 г. элементы ИМС приобрели наномасштабы.
На нижней части прямой на рисунке кружками отмечены значения δ, прогнозируемые специалистами корпорации Intel для массового производства ИМС: в 2007 г. δ = 45 нм, в 2009 г. — 32 нм и в 2011 г. - 22 нм. При указанных значениях δ длина канала полевого транзистора L может иметь значения, равные примерно 20, 15 и 10 нм соответственно (см. звездочки на рисунке. Таким образом, в ближайшие годы классическая микроэлектроника обеспечит производство ИМС на основе схемных элементов, топологические размеры которых приближаются к середине нанообласти (заштрихованная область на рисунке).
Следует отметить, что минимальные структурные размеры элементов ИМС уже давно преодолели верхнюю границу нанообласти и в настоящее время приближаются к ее нижней границе. Толщина h подзатворного диэлектрического слоя составляет 1,4 нм (или 6 атомных слоев) у полевых транзисторов процессоров компании AMD; h = 1,2 нм в процессорах компании Intel. При разности потенциалов на таком слое в 1 В напряженность поля в нем составляет не менее 107 В/см, что выше пробивного напряжения большинства диэлектриков. Дальнейшее уменьшение h в полевых транзисторах, функционирующих по «классическому» механизму, вряд ли возможно.
Уменьшение по годам проектной нормы элемента ИМС: пунктирное продолжение прямой - прогноз до 2011 г.; горизонтальные линии слева - длины волн излучения, используемого для литографии
Таким образом, наноэлектроника родилась в некотором смысле из принципиальных ограничений, возникших на пути микроминиатюризации элементов ИМС. Теоретически было ясно давно, а экспериментальные исследования последних лет подтвердили, что характер процессов, происходящих в элементах, соизмеримых с длиной волны де Бройля, принципиально изменяется. Они перестают работать как «классические» полупроводниковые приборы. Возникают так называемые размерные эффекты. Эти эффекты устанавливают абсолютный (физический) предел традиционному пути развития электроники. Однако эти же эффекты открывают широкую перспективу развития наноэлектроники на новых принципах, основанных на представлениях квантовой физики, физики элементарных частиц, фрактальной геометрии, фрактальной физики и др. Развитие микроэлектроники создало основу для наноэлектроники и привело к ускорению исследований электронных свойств наноразмерных объектов. Налицо прямая преемственность между нано- и микроэлектроникой.
Для формирования перспективных биполярных и полевых структур необходимо освоение новых технологических операций и процессов: молекулярно-лучевой эпитаксии, нанолитографии, золь-гель-технологий, лазерного легирования, формирования квантовых точек, проволок, контактов к молекулам, зондовых технологий, различных методов микроскопии, поиск материалов и др.