Лабораторная работа #1 Наноэлектроника и физические пределы миниатюризации транзисторов
advertisement
Лабораторная работа №1 Наноэлектроника и физические пределы миниатюризации транзисторов 1.1 Цель работы Раскрыть сущность понятий наноэлектроника, нанотехнологии, нанообъекты, изучить основные тенденции развития элементной базы наноэлектроники и установить физические пределы, возникающие в процессе ее миниатюризации 1.2 Подготовка к работе 1.2.1 Изучить следующие вопросы курса : ⎯ Нанообъекты, наночастицы, наноструктуры. ⎯ Нанотехнологии, нанотехника и наноэлектроника. ⎯ Третья научно-техническая революция. ⎯ Ожидаемые основные достижения нанотехнологии в 21 веке. ⎯ Понятие о сборке материи из атомов. ⎯ Наноэлектроника. Перспективные приборы. ⎯ Основные перспективные частотные диапазоны для систем телекоммуникаций. ⎯ Основные перспективные материалы для наноэлектроники. ⎯ Предельно-допустимые параметры транзистора как вычислительного элемента бинарной логики. ⎯ Миниатюризация кремниевых МОПТ. ⎯ Скейлинг конструктивно-технологических параметров МОПТ. ⎯ Классификация полупроводниковых электронных приборов по размерам. ⎯ Физические ограничения, обуславливающие причины отказа от скейлинга. ⎯ Технико-экономическое значение нанотехнологии и наноэлектроники. ⎯ Особенности развития наноэлектроники в России. 1.2.2 Ответить на вопросы и решить следующие задачи: ⎯ Объяснить, является ли человеческий волос нанообъектом? ⎯ Привести три примера нанообъектов. ⎯ Что такое – «третья координата» таблицы Менделеева? ⎯ Зависят ли свойства твердых тел от их размеров? ⎯ Кто и когда ввел понятие «нанотехнологии» и что это такое? ⎯ Кто и когда изобрел сканирующий туннельный микроскоп. В чем состоит революционное значение этого прибора для наноэлектронки? ⎯ Какими параметрами будут обладать нанотранзисторы, если темпы их миниатюризации сохранятся до 2015 г. в соответствии с законом Мура? ⎯ Сколько долларов дохода в мире приносит один доллар, вложенный в электронику? ⎯ Чему эквивалентен 1 кг изделий микро- и наноэлектроники? ⎯ Почему микро- и наноэлектоника являются локомотивами экономики для стран «золотого миллиарда»? ⎯ Каков среднемировой срок окупаемости вложений в электронику, каковы темпы роста? ⎯ Какие основные задачи может решить наноэлектроника ⎯ Нарисуйте «дерево наноэлектроники» и дайте пояснения к нему ⎯ Укажите на основные признаки третьей НТР. ⎯ Какие технологии называются критическими? Приведите примеры критических технологий. ⎯ Что означает понятие E-learning? ⎯ Поясните состояние рынка высоких технологий на 2007г. Какова доля России на этом рынке? ⎯ В чем состоит основная задача в развитии электроники для высшего менеджмента России? ⎯ Поясните основные особенности наноплана правительства РФ. ⎯ Укажите на основные пути развития электроники в России. ⎯ Почему российский бизнес неохотно вкладывает деньги в развитие электроники в России? 1.3 Краткие теоретические сведения Наноэлектроника — это электроника полупроводниковых структур с характерными размерами вдоль хотя бы одной из пространственных координат от 1 до 100 нм (1 нм = 109 м = 10 Ǻ). Термин “нано” (от греческого «нанос»— карлик) был введен в информационные технологии в 1974г. японским инженером Н.Танигучи. Нанометр — это отрезок, составленный всего из 10 атомов водорода или 8 атомов кислорода. Человек различает невооруженным глазом объекты с наименьшими размерами порядка 10 мкм или 10000нм. Лист бумаги имеет толщину порядка 100000 нм. Объемные частицы с характерным диаметром в несколько нанометров называются кластерами. В одном кубическом нанометре может содержаться от 500 до 1000 атомов вещества. Характерные размеры кластеров составляют от 1 до 5 нм. Наночастицы большего размера – от 5 до 100 нм состоят из 103 – 108 атомов. В том случае, когда нанообъекты имеют нитевидную или пластинчатую форму, они содержат в себе еще большее количество атомов. В этом случае в качестве характерного размера принимают не линейный размер объекта, а размер структурного элемента, его образующего. Линейный размер при этом может превышать условную границу в 100 нм. Нанообъекты, имеющие сложную форму и строение, называются наноструктурами. По сути, нанообъекты соответствуют промежуточной области между макро и атомарным уровнями. Химики и биологи уже достаточно давно имеют дело с объектами такого рода, т.к. многие сложные молекулы или вирусы (например, вирус инфлюенции) геометрически лежат в области наноразмеров. На наноуровне физические, химические и биологические свойства материалов значительно отличаются по фундаментальным закономерностям и количественным величинам как от свойств отдельных атомов (молекул), так и от свойств объемных макроматериалов. В электронике с уменьшением размеров элементной базы (транзисторов) уменьшается и характерное время протекания различных процессов в ней, в результате чего резко возрастает быстродействие ИМС в целом. Для нанообъектов с размерами менее 10 нм фундаментальные размерные эффекты становятся такими значительными, что специалисты говорят о необходимости введения «третьей координаты» в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева, имея в виду большую зависимость физико-химических характеристик кластера от числа атомов в нем. При этом для общего случая размерные эффекты могут заключаться: ⎯ в сильных осцилляциях некоторых характеристик вещества; ⎯ в наличии экстремума в нанообласти; ⎯ в насыщении на уровне, значительно отличающемся от макроскопического. Основные причины такого рода закономерностей состоят проявлении квантовых особенностей и атомно-молекулярной дискретности в кластерах, в высокой доле приповерхностных атомов, которые обладают физико-химическими свойствами, отличающимися от объемных, в изменении зонной структуры для наночастиц и малоатомных кластерах и т.д. Не следует думать, что до наступления наноэры человек не сталкивался и не использовал объекты и процессы на наноуровне. Например, в Британском музее хранится стеклянная чаша, называемая «Кубком Ликурга», изготовленная в четвертом веке древнеримскими мастерами. В стекло этой чаши добавлены наночастицы золота и серебра (каждый кластер величиной около 70нм). Благодаря им, чаша изменяет свой цвет, отражая лучи света при различном освещении от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых католических соборов. Также давно известно, что процессы получения фотографического изображения, косметики, бродильные процессы при изготовлении вин, сыра, хлеба и т.д. также протекают на наноуровне. По конструктивно-технологическому признаку наноэлектроника подразделяется на кремниевую наноэлектронику, гетеронаноэлектронику (как альтернативный путь для кремниевой электроники), квантовую наноэлектронику (электронику приборов, работающих на чисто квантовых эффектах) и молекулярную электронику (как перспективную электронику будущего). Основные задачи наноэлектроники заключаются в ⎯ разработке физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, работающих на квантово-механических принципах; ⎯ разработке физических основ нанотехнологических процессов; ⎯ разработке самих приборов и технологий их изготовления; ⎯ разработке ИМС с нанометровыми технологическими размерами и законченных изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базе. Наноэлектроника является логическим развитием микроэлектроники по пути микроминиатюризации, т.е. уменьшения характерных размеров элементов ИМС. Данное развитие происходило и происходит до сих пор в полном соответствии с законом Г.Мура (удвоении производительности ИМС каждые 18 месяцев, начиная с 1965 г., и каждые 24 месяца с 1975 г.). Переход мировой электроники из микрообласти в нано произошел на рубеже 2000г. Если темпы такой миниатюризации сохранятся до 2015г., то транзистор уменьшится до размеров вируса, его рабочая частота сравняется с частотой колебаний атомов в решетке кристалла, а число транзисторов в одной ИМС достигнет одного триллиона. В литературе существует множество метафорических иллюстраций этого закона. Например, если бы самолеты совершенствовались также быстро, как и микросхемы, то сейчас один «боинг» брал бы на борт все население Москвы, облетал Землю быстрее, чем за 1 с, сжигая при этом только несколько литров керосина, а билет на него стоил бы менее 1 копейки. Данные параметры по аналогии соответствуют емкости одной современной ИМС оперативной памяти, ее быстродействию, энергопотреблению и стоимости одного элемента в ней. Сейчас мировая экономика стоит на пороге третьей научно-технической революции (НТР-3) на основе всеохватывающего развития наноиндустрии. Причем темпы этого развития имеют экспоненциальный характер, соответствующий закону Мура. Технологии, развитие которых подчиняется закону Мура принято называть критическими технологиями. Микроэлектроника есть один их характерных примеров такого рода технологий. С конца 90-х годов 20 века к «критическим» стали относить молекулярную биологию, микроэлектромеханику (MEMS) и микросистемную технику. В наше время закону Мура для «критических» технологий стали удовлетворять такие «прорывные» сферы приложения усилий передовых стран, как наноиндустрия и «открытое» образование (описываемое рубежом термином E-learning – Electronic learning). В рамках «Национальной нанотехнологической инициативы»(NNI), принятой в 2001г. президентом США Б.Клинтоном, предусматриваются следующие основные направления работ: –создание многотерабитных (более 1012 бит) запоминающих устройств с физическим объёмом около 1 см3 и информационной емкостью эквивалентной ёмкости библиотеки Конгресса США; – увеличение в 1 000 000 раз быстродействия компьютеров по сравнению с современным Pentium lV; – создание материалов в десятки раз более прочных чем сталь и более легких для применения во всех видах воздушных и космических аппаратов с целью значительной экономии на топливе; – создание материалов и изделий методом атомной сборки, что позволит сберечь природные ресурсы и потребует меньшего расхода материалов; - использование генной инженерии для определения канцерогенных клеток и их лечения методами наноинженерии; – удаление мельчайших загрязнений из воды и воздуха и создание чистой среды обитания для человека; – удвоение эффективности солнечных батарей. Россия сейчас в сфере экономики стоит перед дилеммой – остаться сырьевой страной или перейти в компанию стран High Tech’а. Поскольку для нанотехнологий область перехода от идеи до товара, условно называемая как «долина смерти», значительно больше, чем в сырьевом бизнесе, то частный капитал идет сюда неохотно. Кроме того, перспектива возможного отставания в области наноиндустрии представляет главную угрозу безопасности для России, т.к. как любая НТР нанореволюция имеет две стороны: мирную и военную. Поэтому в России нанореволюция является революцией сверху и основные финансовые суммы на ее развитие приходится тратить государству. В 2007г. правительство РФ приступило к реализации следующего наноплана. Для координации всех работ в области наноиндустрии при правительстве РФ создан Совет по нанотехнологиям под председательством первого вице-премьера. Этот совет был создан в рамках президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии». Совет будет проводить экспертную оценку и готовить предложения, носящие рекомендательный характер, по разработке и практическому использованию нанотехнологий, а также формированию «рынка нанопродукции и наноуслуг с целью реализации интеллектуального, организационного и финансового потенциала страны» (как говорится в постановлении). Для реализации рекомендаций вышеназванного Совета создается Российская корпорация нанотехнологий (Роснанотех), которая станет его финансовым инструментом с предполагаемым бюджетом в 130 миллиардов рублей. В качестве национальной лаборатории для непосредственного научно-практического развития нанотехнологии в РФ определен РНЦ «Курчатовский институт». Летом 2007 принята ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008-2010 гг.» с общим бюджетом 27,7 млрд. рублей. Главная цель этой программы состоит в том, чтобы создать в России Национальную нанотехнологическую сеть (ННС) в составе координирующего центра – РНЦ «Курчатовский институт» – и нескольких научно-образовательных центров на базе ведущих университетов РФ, определенных на конкурсной основе. Для общего планирования работ по нанотехнологиям до 2015 г. предполагается в конце 2007г. разработать обобщенную системную координирующую программу. Согласно оценкам различных экспертов в области телекоммуникационных систем основные современные требования к таким системам можно представить в соответствии с рисунком 1.1. При этом главные тенденции развития – либо повышение рабочего частотного диапазона, либо повышение мощности, либо то и другое – одновременно. Рисунок. 1.1 – Современные требования к телекоммуникационным системам Для различных телекоммуникационных направлений цифровые данные используемым частотным диапазонам сведены в таблицу 1.2. Таблица 1.2 – Современные требования к частотным диапазонам Частотный № Область применения диапазон, ГГц Системы сотовой связи 0,8 – 1,8 2G 1 1.5 –2 3G 4G 40 –60 Беспроводные локальные и персональные сети 2 2,4 и 5 – 6 передачи информации 3 Беспроводные сети стандарта IEEE 802/16-2004 3 – 11 (WiMAX) 4 Системы сотового телевидения: LMDS (Local Multipoint Distribution Service) – североамериканская 27-31 MVDS( Multipoint Video Distribution Systems) – европейская 40,5–42,5 5 Системы спутниковой связи – оборудование для Ku 13.75 – 14.5 наземных станций VSAT Ka 29.5 – 30 6 Цифровое радиовещание 6-42 7 Автомобильные радары 19, 24, 60, 77 по В практических расчетах можно принимать, что быстродействие транзисторов, используемых в различных телекоммуникационных системах, должно быть примерно в два раза выше рабочего диапазона самой системы. В настоящее время в качестве элементной базы для перспективных систем связи и обработки информации предполагается использовать либо кремниевые МДПтранзисторы, либо гетеротранзисторы (см. рисунок.1.2 а) и б)). б) Гетеротранзистор типа HEMT а) Кремниевый МДПТ на КНИ Рисунок 1.2–Основные типы современных нанотранзисторов В современной наноэлектронике для изготовления таких транзисторов применяют различные полупроводниковые материалы, имеющие тетраэдическую структуру решетки. Основные электрофизические параметры этих материалов приведены на рисунке 1.3 и в таблице 1.3 Максимальная мощность, Вт 100 Si SiC карбид кремния SiGe GaN нитрид галлия 10 GaAs 1 фосфид индия арсенид галлия 0,1 InP 1 10 Частота, ГГц 100 Рисунок 1.3 – Зависимость максимальной мощности от частоты для приборов на основе различных полупроводниковых материалов Таблица 1.3 – Основные электрофизические параметры полупроводниковых материалов, используемых в современной наноэлектронике Тип материала Параметр Si SiGe GaAs InP GaN SiC InSb Ширина запрещенной 3,01,12 ~1,0 1,42 1,34 3,4 0,18 зоны, Eg, эВ при 300К 3,26 Подвижность, см2/В*с n для электронов 1600 2800 9200 5400 900 ~500 77000 430 730 400 200 – – 850 p для дырок Скорость насыщения 1,0 – 1,2 – 2,7 2,0 5,0 для электронов 107 см/с Относительная 12,417,9диэлектрическая 11,8 – 12,8 10,4 10 9,52 15,7 проницаемость Теплопроводность, 1,5 – 0,5 0,7 1,3 4,5 0,18 Вт/с*К Параметр решетки, Å 5,43 – 5,64 5,87 3,18 4,35 6,49 Кремниевые технологии обеспечивают изготовление аппаратуры для цифровой обработки данных. С помощью гетероструктурной технологии в основном изготавливается аппаратура для передачи информации. В качестве подзатворного диэлектрика в кремниевых МОПТ традиционно используется двуокись кремния SiO2. Однако в виду того, что при уменьшении длины канала необходимо уменьшать толщину окисла, который при толщинах порядка 20Å становится электрически прозрачным слоем из-за квантово-механического эффекта туннелирования, то в современных кремниевых нанотранзисторах используются диэлектрики с высоким (высокой диэлектрической проницаемостью) или high-K диэлектрики. Как правило, такие диэлектрики являются окислами редкоземельных металлов: ⎯ диоксид циркония ZrO2 =25 в 6,4 раза больше SiO2; ⎯ диоксид гафния HfO2 =28 в 7,5 раза больше SiO2. Обобщенные цифровые данные, отражающие развитие мировой кремниевой микро и наноэлектроники по фактическому состоянию на 2006г, приведены в таблице 1.4. При этом в таблице использованы следующие акронимы (сокращения): ЗУ – запоминающие устройства; ДОЗУ – динамическое оперативное запоминающее устройство ( в англоязычном варианте –DRAM – dynamic random access memory); МП – микропроцессор ( MPU – microprocessor unit); МДПТ – полевой транзистор со структурой металл/диэлектрик/полупро водник или МДП-транзистор (MOSFET – metal-oxide-semiconductor transistor). Таблица 1.4– Основные тенденции развития микро и наноэлектроники на Si Уровень технологии, нм Характеристика 500 350 250 180 130 90 65 45 32 Год внедрения уровня технологии в массовое производство Минимальный размер элемента изделия, нм: ДОЗУ МП (литографический) МП (физический) Функциональные возможности изделия на стадии массового производства на кристалл: ДОЗУ (емкость Мбит); МП (число МОПТ, млн. шт.) Быстродействие массового изделия: ДОЗУ (время выборки, нс) МП (рабочая частота, ГГц) Напряжение питания изделия, В Max рассеиваемая мощность, Вт: МП сетевое питание батарейное пит. ДОЗУ Среднее число фотолитографий в маршруте изготовления изделия, шт.: ДОЗУ МП Число слоев металлизации (разводки), шт.: ДОЗУ МП Эквивалентная толщина подзатворного окисла, нм Диаметр кремниевой пластины, мм Площадь кристалла на стадии массового производства, см2: ДОЗУ МП Число выводов корпуса изделия, шт.: ДОЗУ min 1992 1994 1997 1999 2001 2004 22 2007 2010 2013 2016 500 350 300 350 250 200 250 180 150 180 130 100 130 90 65 90 60 37 65 42 25 45 30 18 32 21 13 22 13 8 4 16 64 256 512 1000 4*103 8*103 16*103 32*103 13 21 52,8 108 276 553 45 40 35 30 25 20 15 10 5 1 1,2 1,51,8 1,7 1,21,5 3,0 0,91,2 4,9 9,5 18 36 0,8-1,1 0,7-1,0 0,6-0,9 0,5-0,8 0,166 0,300 0,600 2,51,83,5-5 3,5 2,5 1,1*103 2,2*103 4,4*103 8,8*103 46 0,8 0,2 56 0,9 0,3 70 1,2 0,5 90 1,4 0,8 130 2,4 1,4 160 2,8 2,0 190 3,0 2,5 198 3,0 3,0 198 3,0 3,0 198 3,0 3,0 18 18 18 21 19 22 20 23 21 25 24 31 24 33 26 35 26 37 26 39 2-3 3-4 3 4-5 3 5-6 3-4 6-7 4 7-9 4 10-12 4-5 11-15 5 12-16 5-6 13-17 6 13-17 10-12 5-7 3-5 2-3 1,31,6 1,21,4 0,9-1,1 0,5-0,8 0,4-0,6 0,4-0,5 200 200 200 200 300 300 300 300 450 450 0,22 2,00 0,36 2,65 0,53 3,98 0,74 4,5 1,27 3,1 1,10 3,10 1,10 3,10 0,93 3,10 0,93 3,10 0,93 3,10 28 32 36 44 48 52 56 60 64 68 max МП min max 80 170 358 96 208 440 112 256 600 128 350 740 144 480 810 160 550 900 182 600 1088 200 660 1450 224 800 1930 250 880 2568 Численный анализ основных способов повышения граничной частоты транзисторов fT можно получить на основании следующих рассуждений. На частоте fT выходной переменный ток равняется входному переменному где ~ UЗ СВХ S Поэтому ~ ~ 2 fT CВХ U З = S U З (1.1) амплитуда переменного входного тока; входная емкость, примерно равная емкости диэлектрика СД ; крутизна нанотранзистора. fT = S S 2 CВХ 2 C Д , (1.2) где CД – емкость диэлектрического слоя. С другой стороны fT возможно представить как fT = где v 1 = , 2 2 L (1.3) время пролета основных носителей под затвором; L длина канала; средняя их скорость, зависящая в общем случае от подвижности. v В линейной области скорость носителей в канале транзистора есть v = E = где UC U ПИТ , L L (1.4) E напряженность поля в канале; UC напряжение на стоке; UПИТ напряжение питания. Тогда граничную частоту можно определить из соотношения fT = U C 2 L U ПИТ L2 . (1.5) В области насыщения с учетом того, что в данном случае крутизну можно выразить как S= где CД L2 (U ЗИ − U ПОР ) , UЗИ напряжение на затворе; UПОР пороговое напряжение транзистора. (1.6) Отсюда с учетом соотношения (1.2) для граничной частоты fT получается оценка, полностью идентичная (1.5). Поэтому эта оценка имеет универсальный характер. На основании формулы (1.5) можно указать два основных пути повышения быстродействия нанотранзисторов: 1. уменьшать его геометрические размеры, прежде всего длину канала; 2. увеличивать подвижность носителей в канале. Первая тенденция соответствует структурам нанотранзисторам, приведенным на рисунке 1.2 а) и подробно отражена в таблице 1.4, а вторая соответствует структурам нанотранзисторов, приведенным на рисунке 1.2 б). В общем случае, если рассматривать нанотранзистор как элемент бинарной логики, оценки его предельно-допустимых параметров можно получить на основании квантовомеханических соотношений неопределенностей Гейзенберга и выражения ШеннонаНеймана-Ландауэра для минимальной энергии, необходимой для однобитовой операции. В вычислениях бинарной логики для осуществления операций в соответствии с рисунком 1.4 необходимо иметь два устойчивых состояния, разделенных энергетическим барьером. b а) состояние 0 EБ b EБ б) состояние 1 Рисунок 1.4 Базовые квантово-механические состояния бинарной логики Вероятность события, состоящего в том, что электрон обладает энергией, достаточной для преодоления барьера без туннелирования (т.е. поверх его) есть P ( EБ ) = exp( − EБ ) k BT , (1.7) где ЕБ энергетическая высота барьера, выраженная, например в эВ; kB постоянная Больцмана; Т абсолютная температура ( в градусах Кельвина). Тогда для того, чтобы электрон с вероятностью 0,5 (50%) переходил из одного состояния в другое должно выполняться, что 0,5 = exp(− EБ ) k BT . (1.8) Откуда следует, что минимальная энергия переключения Emin при данной температуре определяется из выражения Шеннона-Неймана-Ландауэра Emin = E Б = kBT Ln2 . Для 300 К из (1.9) получается, что Emin=0,017 эВ. . (1.9) Соотношения неопределенностей Гейзенберга можно представить в виде Lmin = p = min = 2m* Emin E = Emin = = 1,504 * m me Emin kBT Ln2 и . (1.10) (1.11) С помощью данных соотношений возможно рассчитать минимально-допустимые длину канала нанотранзистора Lmin (выраженную в нанометрах) и время пролета носителей в нем min (в секундах). Минимальную площадь Amin, занимаемую одним нанотранзистором, можно получить из выражения Amin = Lmin Lmin . (1.12) При этом плотность элементов на одном квадратном сантиметре кристалла есть N max 1014 = . Lmin 2 (1.13) Уменьшение размеров транзисторов при сохранении их функциональной работоспособности – это сложнейшая научно-технологическая задача. Ее решение требует учета различных физических эффектов и технологических факторов, которые зачастую прямо противоречат друг другу. Поэтому на практике в процессе проектирования новой элементной базы разработчики стараются использовать данные по параметрам МДПТ, полученные в предыдущих законченных разработках. При этом новые параметры получаются из старых путем их модификации на основе некоторых законов масштабирования МДПТ (правил скейлинга параметров) – см., например, рисунок 1.5 –, которые могут формулироваться на основании различных принципов. Два наиболее часто используемых принципа приведены в таблице 1.5. Таблица 1.5 – Законы масштабирования МДПТ в электронике Постоянство напряженности Обобщенный Параметр МОПТ электрического поля подход (метод Деннарда) Длина затвора 1/М 1/М Толщина диэлектрика Ширина затвора 1/М 1/М Ширина линий межсоединений Постоянство напряженности электрического поля (метод Деннарда) 1 1/М Параметр МОПТ Обобщенный подход Напряженность эл. поля К Напряжение К/М Концентрации легирующих примесей М КМ Емкость затвора 1/М 1/М Глубина истока-стока 1/М 1/М 2 Рассеиваемая мощность 1/М К2/М2 Примечание: М– коэффициент масштабирования линейных размеров; К– коэффициент масштабирования электрического поля. затвора Lmin L'min Dox n+ n+ Lканала Масштабируем ые величины: L'=L/M U'=U/M N'=M*N D'ox n+ L'кан n+ ала а) Исходный МДПТ: б) Масштабированный МДПТ: Lканала=5мкм; Lканала=1мкм; Dox=1000 Å; Dox=200 Å; 15 3 Nканала=5*10 см Nканала=2,5*1016 см3 Рисунок 1.5 – Масштабирование МДПТ по методу Деннарда В соответствии с принципом масштабирования Деннарда все значения размеров и напряжений, включая пороговое, уменьшаются в М раз, а концентрация примесей увеличивается в то же число раз. При этом из законов электростатики следует, что в новых координатах распределение напряженности электрического поля будет таким же, как и в исходной структуре с большими размерами. при этом быстродействие транзистора, оцениваемое в соответствии с формулой (1.2), увеличится в М раз, т.к. при масштабировании крутизна S останется неизменной, а затворная емкость уменьшится в М раз. К существенному недостатку метода Деннарда следует отнести необходимость масштабировать напряжение питания, что и стало основной причиной появления другого метода, называемого обобщенным масштабированием. В процессе масштабирования между длиной затвора МОПТ и толщиной подзатворного окисла обычно действует эмпирическое соотношение Dox L . 45 (1.14) В случае использования подзатворных окислов с двойным диэлектриком, один из которых – двуокись кремния, а другой – диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью ( high-K диэлектрик), емкость затвора есть 1 1 1 = + CЭК Cox Chigh , а эквивалентная толщина диэлектрика DЭТД = Dox + ox D high high . (1.15) (1.16) Физический смысл параметра эквивалентной толщины диэлектрика заключается в том, что он равен условной толщине диэлектрика в том случае, если бы диэлектрик был полностью изготовлен на основе двуокиси кремния. Например, если имеется система материалов SiO2 (0.5нм)/HfO2(3 нм), то эквивалентная толщина составит 0,92 нм, тогда как реальная толщина двойного диэлектрического слоя есть 3,5 нм. Для субмикронных МДПТ (с длиной канала менее 1 мкм) и нанотранзисторов описанные выше правила пропорционального масштабирования (метод Деннарда) и обобщенного масштабирования выполняются не очень точно из-за принципиальных противоречий, заключенных в конструкции МДПТ. Так уменьшение длины канала L приводит к увеличению концентрации примеси под затвором в канале и к уменьшению глубины p-n переходов стока/истока Xj. Уменьшение величины Xj должно сопровождаться сохранением поверхностного сопротивления областей истока/стока. Последнее может быть достигнуто только путем повышения поверхностной концентрации легирующей примеси в слоях стока/истока, в результате чего резко возрастают градиенты концентраций легирующих примесей в области стокового p-n перехода. А это в свою очередь увеличивает напряженность электрических полей в канале, вследствие чего возникают различные эффекты сильных полей, приводящие к деградации электрических характеристик МДПТ. Кроме этого само по себе уменьшение длины канала МДПТ приводит к целому ряду нелинейных эффектов, а именно: ⎯снижению порогового напряжения; ⎯смыканию областей пространственного заряда p-n переходов в области под затвором между стоком и истоком; ⎯биполярным эффектом проводимости между истоком и стоком, генерирующим ток в подложку; ⎯росту величины подпорогового тока, т.е. тока, который течет между стоком и истоком тогда, когда МДПТ находится в закрытом состоянии. В совокупности описанные причины означают, что не существует универсального метода масштабирования МДПТ и в каждом конкретном случае вопрос приходится решать по-разному с учетом всех действующих обстоятельств. Рекомендуемая учебно-методическая литература Основная Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – // М., Машиностроение, 2007, стр. 8-56; Игнатов А.Н, Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники.– //Новосибирск, СибГУТИ, 2005, Гл.6; Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – //М., Техносфера, 2005, стр. 15-22, 79-102, 203214,291-310, 319-327; Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.П. Основы наноэлектроники. –// Новосибирск, Из-во НГТУ, 2004, стр. 6-10, 449- 467; Лекция Неизвестного И.Г. в СибГУТИ. – ноябрь 2006, neizv@isp.nsc.ru Конспект лекций Дополнительная литература Бобков С.Г, Киреев В.Ю. Проблемы перехода микроэлектроники в субстананометровую область размеров. – Нано- и микросистемная техника, 2007, №5, стр.11-20; Телец В., Алфимов С., Иванов А., Митин Ю., Борисов А., Истомин Е. Прикладные аспекты нанотехнологий. – Наноиндустрия, 2007, №2, стр.16-23; Нанотехнологии в электронике. Под ред. Чаплыгина Ю.А. –//М., Техносфера, 2005, стр. 11-20; Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. –// М., Бином, 2005, стр.11-103; Суздалев И.П. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматералов. – // М., КомКнига, 2006, стр. 16-40; Альтман Ю. Военные нанотехнологии. – //М., Техносфера, 2006 Рисунок 1.6 – Основные тенденции масштабирования кремниевых МОПТ 1.4 Задание к выполняемой работе 1.4.1 Выбор варианта В соответствии с таблицей заданий 1.6 и указаниями преподавателя выбрать вариант исходных данных для работы. Таблица 1.6 – Варианты заданий исходных данных 1 Рабочая температура ИМС ТРАБ (в С) 0 2 10 22 3 -10 350 4 20 32 5 -20 180 6 30 45 7 -30 130 № вариант а Уровень технологии (нм) 500 Тип системы Сотовой связи 3G Беспроводные локальные и персональные сети передачи информации Беспроводные сети стандарта IEEE 802/16-2004 (WiMAX) Система сотового телевидения LMDS Системы сотового телевидения MVDS Системы спутниковой связи Ku диапазона Системы спутниковой связи Kа диапазона Сотовой связи 4G Автомобильные радары на 80 ГГц Цифровое радиовещание Автомобильные радары на 60 ГГц Сотовой связи 2G 8 50 65 9 -60 250 10 75 90 11 100 65 12 125 180 Примечание: для четных вариантов из таблицы 1.4 выбирать данные по ДОЗУ кристаллам, для нечетных – данные по МП кристаллам. 1.4.2 Предельно-допустимые параметры нанотранзисторов Рассматривая нанотранзистор как элемент бинарной логики, имеющий рабочую температуру ТРАБ , соответствующую выбранному варианту, на основании соотношений неопределенностей Гейзенберга и выражения Шеннона-Неймана-Ландауэра определиь: 1) предельно-допустимую длину канала Lmin (при этом m*/me принять 0,1); 2) предельно-допустимую время переключения min и частоту работы fT нанотранзистора; 3) предельно-допустимую плотность нанотранзисторов на 1 см 2 кристалла ИМС; 4) пояснить в каких телекоммуникационных системах связи можно использовать данные нанотранзисторы. 1.4.3 Наноэлектроника как критическая технология (закон Мура) В оболочке Excel по данным, приведенным в таблице 1.4 построить графические зависимости, отражающие закон Мура, для следующих параметров: 1) уровень технологии и минимальный размер элемента от времени (для случая МП строить как для физической длины затвора, так и для литографической длины); 2) напряжение питания от времени; 3) количество элементов на одном кристалле от времени; 4) быстродействие нанотранзистора от минимального размера элемента (для МП – физическая длина канала). Для построения графиков в начале работы в раскрытом листе Excel необходимо ввести четыре группы числовых данных по столбцам, соответствующих зависимостям 1-4. Группы данных отделять друг от друга пустыми строками и столбцами. Затем, выделив мышкой (обводом при нажатой левой кнопке) какую-нибудь одну группу данных использовать кнопку мастер диаграмм графической зависимости в соответствии с рисунком 1.7. для построения Рисунок 1.7 – Четыре этапа в работе с мастером диаграмм Для получения формы графической зависимости, близкой к линейной, рекомендуется использовать логарифмический масштаб для зависимой переменной. Для этого, правой кнопкой мышки нужно выбрать ось значений Y и в открывшемся диалоговом окошке выбрать пункт «формат оси». Затем установить логарифмическую шкалу в соответствии с рисунком 1.8. Рисунок 1.8 – Выбор логарифмического масштаба оси Y Для аппроксимации введенных числовых данных математической формулой к построенному графику следует добавить линию тренда. Для этого необходимо на построенном графике выбрать правой кнопкой мыши нужную по вашему мнению аппроксимируемую зависимость и в открывшемся диалоговом окне выбрать пункт «добавить линию тренда». Затем в соответствии с рисунком 1.9 выбрать нужный тип математической зависимости и задать ее параметры. Рисунок 1.9 – Выбор аппроксимирующей математической формулы и определение ее параметров Математическая формула должна автоматически появиться на графике. Мышкой ее можно передвинуть в любое удобное для этого место. Коэффициент R2, называемый коэффициентом множественной детерминации, оценивает точность степени приближения математического тренда к исходным данным. Чем ближе величина R2 к единице, тем лучше приближение. Далее необходимо проделать следующее: ⎯ полученные графики и их математические формулы переписать в отчет; ⎯ объясните, почему значения найденных числовых параметров так велики; ⎯ выбрав из таблицы 1.4 площадь кристалла, соответствующую вашему варианту, найти максимальное число нанотранзисторов, использовав величину предельнодопустимой плотности транзисторов, найденную в пункте 1.4.2. ⎯ с помощью найденной выше математической формулы, выражающей количество элементов на одном кристалле от времени определить спрогнозируйте, в каком году кристаллы с такой плотностью элементов будут выпускаться и вычислите их основные параметры – минимальный размер элемента, напряжение питания и время переключения (быстродействие). 1.4.4 Оценка граничной частоты нанотранзисторов Предположим, что Вам необходимо разработать элементную базу из нанотранзисторов для телекоммуникационной системы, предназначенной для практического применения в соответствии с Вашим вариантом задания. Используя рисунок 1.1 и таблицу 1.2 определить: ⎯рабочую частоту Вашей системы (для диапазонов брать среднее значение); ⎯граничную частоту нанотранзисторов. Затем, в соответствии с рисунком 1.3 выбрать тип полупроводникового материала, из которого будут изготавливать нанотранзисторы и нарисовать в отчете их принципиальную конструкцию с указанием типа канала. В том случае, если величина граничной частоты будет более 100 ГГц в качестве рабочего материала брать антимонид индия – InSb. После этого из таблицы 1.3 определить величину подвижности основных носителей заряда в канале транзистора и по формуле (1.5) оценить длину канала транзистора, полагая, что величина напряжения питания берется из таблицы 1.4 в соответствии с Вашим вариантом. Используя данные, полученные в пункте 1.4.3 определить предполагаемую дату выпуска систем, построенных на сконструированных Вами транзисторах. 1.4.5 Масштабирование кремниевых нанотранзисторов Предположим, что на основании предыдущих разработок Вы имеете отработанную технологию изготовления и конструкцию кремниевого МДПТ имеющего следующие параметры, приведенные в таблице 1.7. В качестве подзатворного диэлектрика в данном транзисторе–прототипе используется двуокись кремния SiO2. Таблица 1.7– Исходные параметры транзистора–прототипа № Наименование и обозначение Размерность 1 Длина канала, L мкм 2 Ширина канала, W мкм 3 Длина контакта истока-стока, XK мкм Величина 0,5 20 5 4 5 6 7 8 9 10 Глубина истока-стока, XJ Толщина подзатворного диэлектрика, DOX Концентрации легирующих примесей: – в канале, NK – в области исток-стоков NИ-С Пороговое напряжение, UПОР Напряжение смыкания, UСМ Напряжение питания Время переключения, мкм нм 0,15 12 см-3 см-3 В В В нс 1,6*1017 1,4*1020 0,6 10 3,5 20 Пусть коэффициент масштабирования по принципу Деннарта М соответствует величине из числового ряда 10, 16, 11, 15, 12, 14, 13, 8, 9, 7, 17, 18, 19, где номер Вашего варианта задает М по порядку следования чисел в ряде. Необходимо выполнить следующие действия: ⎯рассчитать параметры смасштабированного МДПТ; ⎯в процессе масштабирования учесть ограничение по предельной толщине двуокиси кремния и использовать диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью (high-K диэлектрик) в качестве подзатворного диэлектрика, полагая при этом, что величина эквивалентной толщины диэлектрика равна смасштабированной величине двуокиси кремния; ⎯рассчитать, во сколько раз изменится величина сопротивления истоков-стоков у нанотранзистора по сравнению с транзистором прототипом для двух случаев: а) подвижность не зависит от концентрации; б) подвижность зависит от концентрации. 1.5 Содержание отчета Отчет должен содержать: ⎯ результаты расчетов по пункту 1.4.2, ответы на поставленные в пункте вопросы и выводы; ⎯ графики исследуемых зависимостей, описывающих закон Мура в соответствии с пунктом 1.4.3, их математические формулы, рассчитанные в программе Excel, результаты расчетов по пункту 1.4.3, ответы на поставленные в пункте вопросы и выводы; ⎯ результаты расчетов по пунктам 1.4.4 и 1.4.5, ответы на поставленные в пунктах вопросы с рисунками сконструированных нанотранзисторов и выводы.
