Перспективы совершенствования нанотранзисторов

Экстраполяция тенденции уменьшения размеров приборов показывает, что одноатомные размеры будут достигнуты в производстве приблизительно в 2030 г. Технологии атомного масштаба (0,5-0,1 нм) открывают абсолютно новые перспективы создания твердотельных элементов квантовых компьютеров, квантовой связи и квантовой криптографии, что позволит производить квантовые микросхемы, работающие на квантовых принципах.

Хотя в лабораториях ведущих компаний мира образцы нанотранзисторов были реализованы уже в 1999-2003 гг. с длинами каналов вплоть до 9 нм, освоение промышленного производства интегральных схем на их основе требует решения ряда принципиально новых проблем. Во-первых, это проблема создания промышленной литографии на основе оптических степперов-сканеров, обеспечивающих воспроизводимость столь малых размеров на больших кристаллах.

Во-вторых, проблема создания сверхтонкого подзатворного диэлектрика. Уменьшение латеральных размеров транзистора влечет за собой необходимость уменьшения толщины диэлектрика, который при простом утоньшении диоксида кремния становится туннельно-тонким и не может быть использован из-за высоких токов утечки. В-третьих, проблема реализации сверхмелкозалегающих p–n -переходов стока и истока. Это требование (уменьшение глубины залегания p–n -переходов) вытекает из необходимости избежать проявления короткоканальных эффектов, то есть транзистор должен оставаться по своим характеристикам длинноканальным. Далее возникает проблема выбора материала затвора, так как легированный поликремний может не удовлетворять требованиям к его проводимости. Не менее сложной проблемой становится силидизация контактов малой площади. Существует также проблема создания процессов и оборудования для плазмохимического травления диэлектрика, исключающего повреждение подзатворного диэлектрика.

Конструкции МДП-нанотранзисторов могут быть со временем подвергнуты изменениям. Пока в производстве интегральных схем и, по крайней мере, до 2009 г. включительно используется и будет использоваться классическая конструкция. Как было показано выше, разрабатываются и другие конструкции, в частности, двухзатворный МДП-транзистор, в котором затвор охватывает канал с двух сторон, и транзистор в тонком слое КНИ (рис.2.1.33).

Рис. 2.1.33. Конструкции двухзатворного (вверху) нанотранзистора и нанотранзистора в тонком кремнии на изоляторе (внизу)

Оба транзистора последних двух конструкций при длине канала порядка 10 нм являются баллистическими. Для толстых слоев кремния на диэлектрике (порядка 100 нм) необходимо легировать канал для подавления тока транзистора в закрытом состоянии. Это так называемые необедненные (non-depleted) КНИ-транзисторы. Для меньшей толщины слоя кремния и короткого канала транзистора можно слабее легировать слой кремния в канале.

Это частично обедненные (partially depleted) КНИ-транзисторы. Для тонких слоев кремния (5-10 нм) канал транзистора можно совсем не легировать. Полностью обедненный (fiilly depleted) КНИ-транзистор является наиболее перспективным, поскольку он наилучшим образом выявляет возможности КНИ-подложки. В таких структурах снижены токи утечки и радиационностимулированные фототоки, исключены биполярные эффекты («защелка» и др.), снижены емкости p–n -переходов. Это приводит к уменьшению рассеиваемой КМОП схемами мощности, более высоким скоростям переключения и более широкому диапазону рабочих температур. По существу, это дает возможность продвинуться на одно поколение интегральных схем при том же разрешении литографического процесса по отношению к схемам на объемном кремний, существенно повысить рабочие частоты, создавать высокотемпературные схемы для аппаратуры, работающей в экстремальных условиях, в том числе и для космических применений.

Баллистический МДП-нанотранзистор в тонком КНИ представляет большой интерес для будущих производств, так как продлевает жизнь МДП-транзисторов в область длин канала в несколько нанометров. Физически это означает, что при длинах канала около 5 нм МДП-нанотранзистор остается свободным от короткоканальных эффектов.

Использование тонких слоев кремния в КНИ-подложке приводит к необходимости учета эффектов поперечного квантования носителей в канале транзистора. Так, в величину порогового напряжения вносит вклад энергия поперечного квантования электронов в тонком слое кремния в структуре КНИ. Влияние квантования выражается как бы в утолщении подзатворного диэлектрика.

Эффект заключается в том, что волновая функция электронов в слое кремния практически равна нулю на границе с подзатворным оксидом из-за большой высоты потенциального барьера (около 4эВ). В результате электронная плотность «отодвигается» от границы на расстояние, приблизительно равное четверти дебройлевой длины волны электрона. Обеднение кремния приводит к увеличению эффективной толщины подзатворного диэлектрика по крайней мере в три раза, и таким образом влияет и на другие параметры транзистора, например, емкость затвора.

Предполагается, что смена конструкции транзистора от классической к КНИ может произойти к 2010 г. для длин канала 35 нм.

Для суб-10 нм области минимальных размеров необходимо создание новых технологий, а именно, суб-10 нм КНИ-пластин диаметром 300 мм и выше, суб-10 нм литографии на столь же больших пластинах, атомно-слоевого нанесения тонких пленок диэлектриков, металлов и полупроводников, атомно-слоевого травления материалов.

Дата добавления: 2014-01-05